Lityum iyon pillerde elektrolit olarak LiBF4 kullanımının incelenmesi

Abstract

Günümüzde lityum iyon piller cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar, kaydediciler ve dijital kameralar gibi yaygın olarak kullanılan cihazlarda daha az enerjiye sahip olan nikel-kadmiyum ve nikel-metal hidrür pillerin yerini almaktadır. Buna ek olarak son zamanlarda Li-iyon pillerin uygulama alanları motorlu aygıtlar, pilli bisikletler, hibrit elektrikli araçlar gibi alanlarda da kullanılmaktadır. Bütün bunlar göz önünde bulundurulduğunda, lityum iyon pillerin kullanımı giderek artmaktadır. Elektrolitin görevi elektrotlar arasında yük taşımaktır. Li-iyon pillerde kullanılan elektrolitlerin çoğunluğu sıvı elektrolit çözücülerinde çözünmüş tuzdan oluşmaktadır. Çoğunlukla ticari olarak kullanılan LiPF6?nın kullanıldığı çözeltilerle kıyaslandığında LiBF4 tuzu ile hazırlanan elektrolit çözeltileri çevrim boyunca daha kararlı kalmakta böylelikle bu tuzu bulunduran elektrolitler yüksek sıcaklıkta gelişmiş pil performansı sağlamaktadır. Aynı zamanda ortam nemine karşı hassasiyetinin daha düşük olması ve yüksek sıcaklıklarda olduğu gibi düşük sıcaklıklarda da çok düşük şarj transfer direnci sağlaması LiBF4 tuzunun sağladığı üstünlüklerden olmaktadır. Bu çalışmada, öncelikle LiBF4 konsantrasyonun 1 molal (m) olarak sabit tutulduğu EC:DMC oranının ağırlıkça 3:1, 2:1, 1:1, 1:2 ve 1:3 olduğu çözeltiler hazırlanmıştır. Elektrolitlerin iletkenlik değerleri ölçülerek yüksek iletkenlik sağlayan 2:1 EC:DMC oranı seçilmiştir. Bu 2:1 EC:DMC oranı sabit tutularak farklı konsantrasyonlarda LiBF4 elektrolit çözeltileri 0,8, 1,0, 1,2, 1,4 m olacak şekilde hazırlanmıştır. Hazırlanan tüm elektrolit çözeltileri kullanılarak CR2016 buton piller basılarak oda sıcaklığında (25 oC) elektrokimyasal performansları incelenmiştir. 100 şarj-deşarj döngüsü sonunda elektrokimyasal empedans spektroskopisi ile empedans ölçümü yapılmıştır. Sonrasında piller açılarak Raman, SEM ve XRD analizleri ile elektrolitin katot üzerindeki etkisi incelenmiştir.

Nowadays, Li-ion batteries are extensively used in mobile phones, laptops, camcorders and digital cameras instead of nickel-cadmium and nickel-metal hydride batteries which have low energy. In addition, Li-ion batteries have also application areas such as motorized devices, battery-powered bikes and hybrid electrical vehicles, recently. Considering this case, the use of lithium-ion batteries gradually increases. Electrolyte provides charge transfer between electrodes. Electrolytes which are commonly used for Li-ion batteries consist of dissolved salts in liquid electrolyte solvents. Compared with LiPF6 which is used commercially, electrolyte solutions prepared with LiBF4 salt provide improved battery performance at high temperature because of staying stable during charge-discharge cycles. Additionally, the other advantages of LiBF4 salt are its low sensibility of environment moisture and low charge transfer resistivity in low temperatures as well as high temperatures. In this work, firstly, 1 molal (m) LiBF4 electrolyte solutions were prepared with different EC:DMC (w/w) ratios as 3:1, 2:1, 1:1, 1:2 and 1:3. The conductivities of electrolyte solvents were measured and EC:DMC ratio of 2:1 was chosen for providing high conductivity. After that, the ratio of EC:DMC was kept as 2:1 and LiBF4 concentrations was varied as 0,8, 1,0, 1,2 and 1,4 m. Using these prepared electrolyte solutions, CR2016 button batteries were assembled and investigated electrochemically performances at room temperature. After 100 charge-discharge cycles, electrochemical impedance measurement was conducted by EIS. Then the batteries were disassembled. Obtained cathode materials were analyzed by Raman, SEM and XRD to examine the effect of electrolyte on the cathode materials.