PVD yöntemi ile silisyum matrisli karbon nanotüp takviyeli nano kompozit elektrotların geliştirilmesi

Abstract

Anahtar kelimeler: PVD, silisyum, karbon nano tüp, nano kompozit anode, lityum-iyon pil.Taşınabilir elektronik cihazların yaygınlaşması ve elektrikli araçların kullanımının, dünyadaki karbon dioksit salınımının azaltılması adına ihtiyaç haline gelmesi nedeniyle verimli ve yüksek enerji yoğunluklu şarj edilebilir pillere olan gereksinim artmaktadır. Lityum iyon piller bu amaç için halen kullanılmakta olan en gözde seçenek olmakla gelişmeler açısından da en çok gelecek vaat eden pil sistemleridir.Bu tez çalışmasında lityum iyon pillerde kullanılmak üzere silisyum esaslı kompozit anotlar üretilmiştir. Silisyum doğru akım sıçratma tekniği kullanılarak paslanmaz çelik altlık ve karbon nano tüp kâğıtlar üzerine sıçratılmış, ince film ve nano kompozit anotlar elde edilmiştir. Üretilen kompozitlere taramalı elektron miskroskobisi ve X ışınları difraksiyon teknikleri ile analizler yapılmıştır.Kompozit anot mimarisini elde edebilmek üzere karbon nanotüp kâğıtlar vakum filtrasyon tekniği kullanılarak üretilmiştir. Vakum filtrasyon tekniğinden önce karbon nano tüpler saflaştırılmış daha sonra da çeşitli kimyasal yöntemlerle fonksiyonelleştirme işlemi uygulanmıştır. Fonksiyonelleştirilen karbon nano tüplere termal analiz ve fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopi analizi uygulanmıştır. Kâğıtların morfolojileri alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu ile incelenmiştir.Elektrokimyasal testleri yapmak üzere CR2016 tipi piller saf argon doldurulmuş glove box içerisinde üretilmiştir. Çalışma elektrotu olarak üretilen kompozitler kullanılırken referans elektrot olarak yüksek saflıkta lityum folyolar kullanılmıştır. Üretilen piller çevrim ömürlerinin belirlenmesi amacı ile sabit akım yoğunluğunda elektrokimyasal çevrim testlerine tabi tutulmuşlardır. Bunun yanında elektrokimyasal empedans analizi ve çevrimsel voltametri teknikleri ile üretilen anotların elektrokimyasal performansları test edilmiştir.

Key Words: PVD, silicon, carbon nanotube, nano composite anode, lithium-ion battery.Due to widespread usage of portable electronic devices and growing necessity of electrical vehicles in order to decrease carbon dioxide emission, the need of high energy density batteries is increasing. Lithium ion batteries are the most popular choice used for this purpose and most promising battery systems in terms of developments in the field of batteries.In this thesis work silicon based composite anodes were produced for lithium ion batteries. Silicon was sputtered via DC magnetron sputtering technique onto stainless steel substrates and carbon nanotube papers to obtain thin film and composite anodes. Obtained electrodes were analyzed via X-ray diffraction technique and scanning electron microscope.Carbon nanotube papers were produced with vacuum filtration technique to obtain composite electrode architecture. Before vacuum filtration process carbon nanotubes were purified and then functionalized with different chemical agents. Thermal analysis and Fourier transform infrared spectroscopy was applied to functionalized carbon nanotubes. Field emission scanning electron microscopy analysis carried out to understand morphology of carbon nanotube papers.CR2016 type coin cells were assembled for electrochemical tests in an argon filled glove box. Composite and thin film electrodes were chosen as working electrode while high purity lithium foils were chosen as reference electrode. To determine the cycle lives, batteries were subjected to galvanostatic charge/discharge tests at constant current density. Besides electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry techniques were used for further electrochemical performance analysis.