Lityum iyon piller için fiziksel buhar biriktirme yöntemi ile metaloksit-karbon kompozit anotların geliştirilmesi

Abstract

Grafit şu anda ticari şarj edilebilir Li-iyon pillerde negatif elektrot olarak kullanılmaktadır. Ancak düşük kapasiteye (372 mAh g-1) sahip olması daha yüksek kapasiteye ve iyi çevrim kararlılığına sahip alternatif malzemeleri araştırmaya sebep olmuştur. Sn esaslı malzemeler Li-iyon pillerde negatif elektrot olarak grafitin yerini alabilecek umut verici adaylardır. Anot malzemeler arasında kalay oksit, Li22Sn5 alaşımında 1494 mAh g-1 gibi çok yüksek teorik kapasite göstermesinden dolayı büyük dikkat çekmektedir. Ancak kalay oksidin yüksek teorik kapasitesi elektrotun çevrim ömrünü azaltan pulverizasyon ve delaminasyonuna yol açan %300 hacim değişimine sebep olur. Teorik olarak elektrokimyasal çevrim sırasında hacim değişimi, kalay oksidin partikül boyutu nanometrik seviyede tutulduğunda lityum difüzyon mesafesi azalacağından kontrol edilebilir. Ayrıca karbon nanotüp (KNT) matris içinde kalay oksit partiküllerinin dağıtılmasıyla KNT'ler aşırı hacim değişiminde çok etkili bir tampon görevi görür. Nano boyutlu veya kompozit kalay esaslı anotlar daha yüksek çevrim ömrü ve performans göstermiştir. Karbon nanotüpler yüksek teorik elektriksel iletkenlik, yüksek en-boy oranı, önemli termal iletkenlik ve iyi mekanik özelliklerinden dolayı anot malzemeler için arzu edilen bir elektronik matris görevi sağlayabilir. Bu çalışmada nano boyutlu kalay oksit ve antimon ilaveli kalay oksit filmler, çok duvarlı karbon nanotüp (ÇDKNT) ve Cr kaplı paslanmaz çelik altlıklar üzerinde Ar ve Ar-O2 atmosferinde radyo frekansı (RF) sıçratma tekniği kullanılarak lityum iyon piller için anot malzeme olarak hazırlanmıştır. Nano boyutlu SnO2, SnO2:Sb, SnO2-ÇDKNT ve SnO2:Sb-ÇDKNT'lerin mikroyapı ve elektrokimyasal özellikleri detaylı bir şekilde araştırılmıştır. 125 W RF gücünde O2/Ar (1/9) gaz karışımında üretilen SnO2-ÇDKNT ve SnO2:Sb-ÇDKNT nanokompozitlerin 100 çevrim sonunda deşarj kapasiteleri sırasıyla 790 mAh g-1 ve 753 mAh g-1'dır. Sonuçlar göstermiştir ki SnO2-ÇDKNT ve SnO2:Sb-ÇDKNT nanokompozitler, 100 çevrim sonunda 372 mAh g-1'dan çok daha yüksek tersinir kapasite ile lityum iyon piller için anot malzemesi adayıdır.

Graphite is currently utilized as negative electrodes in commercial rechargeable Li-ion batteries. However, its low capacity (372 mAh g-1) prompted search for alternative materials of higher capacity and good cycling stability. Sn-based materials are promising candidates to replace graphite material as negative electrode in Li-ion batteries. Among anode materials tin oxide has received great attention because of its very large theoretical capacity of 1494 mAh g-1 based on the alloy Li22Sn5. However, the large theoretical capacity of tin oxide also results in a 300% volume expansion which could lead to pulverization and delamination reducing the cycle life of the electrode. Theoretically, the volume change during electrochemical cycling may be under control, and the lithium diffusion length can be greatly reduced when the tin oxide particle size is at a nanometric level. In addition, dispersion of the tin oxide particles in a CNT matrix is also very effective to buffer the large volume change. Tin-based anodes have demonstrated enhanced performance and improved cycle life with nanoscale or composite particles. It is well known that carbon nanotubes can provide a desirable electronic matrix for anode materials due to their high theoretical electrical conductivity, high aspect ratio, remarkable thermal conductivity, and good mechanical properties. In this study, nanosized tin oxide and antimony doped tin oxide films were prepared as anode materials for lithium ion batteries by radio frequency (RF) sputtering technique in Ar and Ar-O2 atmosphere on Cr coated stainless steel and multiwall carbon nanotube (MWCNT) substrates. The microstructure and electrochemical properties of nanosized SnO2, SnO2:Sb, SnO2-MWCNT and SnO2:Sb-MWCNT were investigated in detail. The discharge capacities of SnO2-MWCNT and SnO2:Sb-MWCNT nanocomposite electrodes produced under O2/Ar (1/9) gas mixture at 125 W RF power were 790 mAh g-1 and 753 mAh g-1 after 100 cycles, respectively. The results show that SnO2-MWCNT and SnO2:Sb-MWCNT nanocomposites are good candidates as anode materials for lithium ion batteries with reversible capacity more than 372 mAh g-1 after 100 cycles.