Silisyum grafen esaslı hibrit nano kompozit anot elektrotlarının sentezi ve li-iyon pil uygulamaları

Abstract

Anahtar kelimeler: Li-İyon Pil, Nano, Silisyum, Grafen, Yolk-shell Yüksek enerji yoğunluğu ve uzun çevrim ömürlerine sahip olmaları nedeniyle, lityum iyon bataryalar (LIB) mobil cihazlar, elektrikli araçlar ve enerji depolama sistemleri için umut verici güç kaynakları olarak görülmektedirler. Lityum iyon pillerin genel performansının belirlenmesinde anot malzemeleri hayati bir öneme sahiptirler. Yüksek kapasiteli yeni nesil lityum iyon pillere olan taleplerin artmasıyla, çok yüksek teorik kapasiteye sahip olan silisyum (Si) (4.200 mAh/g) dikkat çekici bir anot elektrotu haline gelmiştir. Bunun yanı sıra, Si yerkabuğunda bulunan en fazla bulunan ikinci elementtir ve çevreye herhangi bir zararı bulunmamaktadır. Li-Si sisteminin teorik olarak çok yüksek kapasite değerlerine sahip olmasına karşılık ticari olarak kullanımı elektrokimyasal alaşımlama/dealaşımlama işlemleri sırasında meydana gelen % 300'lük bir hacimsel genleşmeden dolayı sınırlıdır. Söz konusu hacimsel genleşme Si yüzeyinde oluşan koruyucu katı elektrolit fazlarını (SEI) bozarak, pil çevrimlerinde Kulombik verimlilik değerlerinin düşmesine neden olmaktadır. Sonuç olarak, meydana gelen hacimsel genleşmeler Si partiküllerinin parçalanmasına ve akım toplayıcı üzerinden dökülerek elektrokimysal performansın önemli ölçede düşmesine neden olmaktadır. Söz konusu problemlerin giderilmesi hususunda karbon esaslı bir matrisin kullanılması Si'un hacimsel genleşmesini önemli ölçüde engelleyecektir. Bu yüksek lisans tez çalışmasında nano boyutta silisyum, tetraetil ortosilikat (TEOS) ve karbon ile kaplanarak yumurta sarısı/kabuk modelinde nanopartiküller sentezlenmiş ve elde edilen kompozit yapılar grafen ile takviye edilerek hibrit kompozit serbest elektrotlar üretilmiştir. Üretilmiş olan serbest elektrotların fiziksel ve kimyasal özellikleri farklı yöntemlerle analiz edilmiştir. Anot malzemesi olarak tasarlanmış serbest elektrotlardan CR2016 düğme tipi hücreler üretilmiş ve elektrokimyasal özellikleri de incelenmiştir. Elektrokimyasal testler sonrasında elde edilmiş sonuçlar, Si/C/Grafen ve yumurta sarısı/kabuk Si-C/Grafen nanapartikülleri hibrit kompozit yapılarının ticari olarak kullanılmakta olan grafite göre daha üstün özelliklerinin olduğunu göstermiştir.

Due to the high energy density and long cycling life, lithium ion batteries (LIBs) have been utilized as promising power sources for mobile devices, electric vehicles, and energy storage systems. Anode materials plays an important role in determining the overall performance of LIBs. In face of the increasing demand for next generation lithium ion batteries, Si has attracted much attention owing to its ultra high theoretical capacity (4.200 mAh/g, lithiated to Li4.4Si). At the same time, Si is world's second most abundant element and harmless to the environment. Nonetheless, there are still some disadvantages for the practical applications of Si as anode materials, including low intrinsic electric conductivity and large volume change (about %300) during the lithiation/delithiation process, which result in fast capacity fading and poor rate capability. Moreover, this large volume expansion will destroy the solid electrolyte interphase (SEI) protective layer on the surface of Si, which will result in a low Coulombic efficiency. Consequently, aggregation results in pulsing Si nanoparticles and loss of contact with the existing collector, resulting in poor electrochemical performance. In order to solve these problems carbon mainly serves as a protecting matrix for the volume change of Si particle. In this master thesis study, commercial silicon were coated with tetraethyl orthosilicate (TEOS) and carbon to produce yolk Shell nanoparticles and Si-C/Graphene hybrid composite free electrodes. The chemical and physical properties of the as-produced electrodes were analyzed with several testing methods. The electrochemical properties of the as-produced electrode materials were evaluated by assembling those electrodes in a CR2016 coin cell. The electrochemical tests were shown that the electrochemical performance of freestanding Si/C/Graphene and Yolk Shell Si-C/Graphene hybrid electrodes are far beyond the commercial graphite.