Nano kristalin grafen esaslı nano kompozit anot elektrotlarının üretimi ve Li-iyon pil uygulamaları

Abstract

Geçtiğimiz son birkaç yılda, Li-iyon piller gerek taşınabilir elektronik cihazlar ve gerekse elektrikli cihazlar için hala en umut verici güç kaynakları olarak gösterilmektedirler. Li-iyon pillerin önemli bir bileşeni olarak görülen negatif elektrotlar malzemeler üzerine oldukça yoğun çalışmalar olmasına karşılık ticari Li-iyon pillerin birçoğunda negatif elektrot olarak hala grafit tercih edilmektedir. Li-Sn alaşımlarının özellikle Li-C alaşımlarından çok daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmalarından dolayı yeni nesil Li-iyon pil uygulamalarında kalayın çok önemli bir aday olabileceğini göstermektedir. Kalay ve lityum elektrokimyasal olarak tersinir reaksiyonlar göstererek teorik kapasitesi 994 mAh g-1'lik bir spesifik kapasitenin ortaya çıkmasını sağlarlar ve bu değer teorik kapasitesi 372 mAh g-1 olan ticari grafitin yaklaşık olarak üç katına denk gelmektedir. Li-Sn sisteminin teorik olarak çok yüksek kapasite değerlerine sahip olmasına rağmen ticari olarak kullanımı elektrokimyasal alaşımlama/dealaşımlama işlemleri sırasında % 300'lük bir hacimsel genleşmeden dolayı sınırlıdır. Söz konusu hacimsel değişimler elektrokimyasal işlemler sırasında kapasitenin çok hızlı bir şekilde düşmesine (kısa çevrimsel ömür) ve elektrotta dökülmelere neden olmaktadır. Günümüze kadar yapılmış olan çalışmalarda hacimsel genleşmelere bağlı olarak ortaya çıkan dökülmeleri engellemek amacıyla birçok özgün yaklaşım keşfedilmiştir. Farklı araştırmacılar tarafından özgün elektrot mimarisi hususunda öngörülmüş olan yaklaşımlardan en önemlileri karbon kaplama ve grafen takviyesi şeklinde verilebilir. Grafenin üstün mekanik ve elektriksel özelliklere sahip olması şarj edilebilir piller hususunda büyük dikkati üzerine çekmiş ve günümüzdeki çalışmaların söz konusu nano yapılı malzemelerin makro ölçekte avantajlara dönüştürülmesi üzerine yoğunlaşmasına neden olmuştur. Bu yüksek lisans tez çalışmasında Sn/C/Grafen hibrit kompozit serbest elektrotlar kimyasal indirgeme, mikrodalga destekli karbürizasyon ve vakum filtrasyon yöntemleri kullanılarak 3 aşamada 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, Sn/C/Grafen hibrit kompozit yapılarının ticari olarak kullanılmakta olan grafite göre daha üstün özelliklerinin olduğunu göstermiştir

In recent years, lithium-ion batteries are believed to be the most promising power source for both portable electronic devices and electric vehicles. As one of important parts, negative-electrode materials have been investigated intensively. Among them, carbonaceous material has now widely used in commercial Li-ion batteries. Li–Sn alloys have higher energy density compared that of Li–C alloys therefore, Sn is one of the candidate negative electrode materials for next generation lithium ion battery applications. Tin and lithium form reversible alloys such as Li4.4Sn with maximum composition, which yields 994 mA hg−1 specific capacity value, almost three times higher than the theoretical value of the conventional graphite anode, that is, 372 mA hg−1. In spite of high theoretical capacity of Li–Sn system, usage and commercialization so far limited by its short cycle life, which is related with the huge volume variations about % 300 occurs during the electrochemical alloying–dealloying reactions between Li–Sn. Volume variations results with the considerable mechanical stress, which leads rapid capacity fade (short cycle life) due to the material pulverization. In the literature there are many approaches to suppress the pulverization arising from volume variations. Novel electrode architectures have been suggested by researchers such as nanocomposite tin materials and among them, the most attractive ones are graphene reinforced composites. The superior mechanical and electrical properties of graphenes have received much attention, leading to many efforts to design materials that realize macro scale advantages through integrating these nano scale structures In this Master of Science thesis, free standing hybrid Sn/C/Graphene hybrid electrodes were produced by a three step methods and these methods were chemical reduction, microwave assisted carburization and vacuum filtration methods. 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 Sn/C/Graphene hybrid electrodes are far beyond the commercial graphite.