Yeni nano yapılı metal oksit esaslı yarı iletken anotlar kullanılarak Li iyon pillerin kapasitelerinin geliştirilmesi

Abstract

ÖZET Nano teknoloji uygulamalarında çok farklı nano yapı morfolojileri ile karşılaşılmaktadır. Nano kemer, nano tüp ve nano çubuk yapılı morfolojilerde özellikle tek kristal halinde ise, yüzey/hacim oranlarının çok yüksek olmasından dolayı, Li iyon pil elektrotlarında, sensörlerde ve güneş pillerinde kullanılan yarı iletken oksitler, çok önemli bir malzeme olarak görünmektedir. Sunulan bu projede, tamamen proje ekibine özgün özgün yaklaşımlarla eş eksenli nano taneli ve çubuksal nano kristal morfolojisine sahip anotlar, SnO2, SnO2:Sb (%90:10), ZnO, TiO2 ince filmleri kullanılarak üretilmesi amaçlanmıştır. Üretilmiş olan anot malzemelerinin pil performansı testleri, üretilmiş elektrotlar CR2016 tipi piller içerisine monte edilerek gerçekleştirilmiştir. Paslanmaz çelik, bakır ve silikon wafer altlık malzemeleri üzerine kaplanacak yarı iletken metal oksitler ve doplu filmlerin üretiminde farklı teknikler kullanılmıştır. Söz konusu depozisyon teknikleri; RF/DC manyetik sıçratma, termal buharlaştırma ve takiben plazma oksidasyon, saf metalik filmlerin elektrolitik kaplanması ve sonrasında D.C. plazma oksidasyon, atmosferik basınç kimyasal buhar depozisyonu ve sol-jel kaplama teknikleridir. Li iyon pil anot malzemeleri için üretilecek filmler, üretim teknikleri ve elde edilecek nano kristalin yapı, tek boyutlu nano çubuklar, karbon nanotüp ilaveli kompozit anotlar açısından bu çalışmaya özgün malzemelerdir. Mevcut projede, karbon nanotüplerden kağıt formunda serbest elektrotlar üretilmiş ve kalay, çinko ve titanyum esaslı elektrotlara termal buharlaştırma, elektrolitik kaplama ve manyetik sıçratma yöntemleri ile ilave edilmiştir. Böylelikle lityum iyonları ile tersinir bileşikler yapma süresince ortaya çıkacak hacimsel genleşmelerin ortadan kaldırılması hedeflenmiştir. Farklı nano yapılı filmlerde pil performansı için elektrokimyasal analizler gerçekleştirilmiştir ve literatürde elde edilmiş değerlerden çok daha yüksek değerlerin elde edildiği görülmüştür. Üretilen nano yapılı filmlerin karakterizasyonu X-ışınları difraksiyonu (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM ve FESEM) ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile yapılmıştır. Farklı altlıklar üzerine yapılan iletken kaplamalarda, aynı zamanda dört uçlu prob yöntemi ile özdirenç ölçümleri de gerçekleştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Li-İyon Piller, SnO2, SnO2:Sb (%90:10), ZnO, TiO2, RF/DC Manyetik Sıçratma, Termal Buharlaştırma, Plazma Oksidasyon, Atmosferik basınçta kimyasal buhar biriktirme, sol-jel kaplamalar, Karbon Nanotüpler.

ABSTRACT There are several nano structure morphologies of nano crystals related with the nano technology applications. Nano tubes, nano rods and nano belts morphologies of semiconducting oxides are very promising for Li ion battery electrodes, sensors and solar cells due to the fact that the surface-to-volume ratio is very high especially if the oxide is single crystalline. In this proposed comprehensive project, anode electrodes for Li-ion batteries are aimed to produce by using basically SnO2 and ZnO films with equiaxed nano grains and nano rod crystal morphologies with completely authentic approaches planned by project team. The performance tests of the batteries were performed by assembling the manufactured electrodes into CR2016 type batteries. Different deposition techniques were used for semi conducting metal oxide films and doped thin films on different substrates such as stainless steel, copper and silicon wafer. The deposition techniques were R.F. magnetron sputtering, thermal evaporation and subsequent plasma oxidation, electrolytic deposition and then D.C. plasma oxidation of pure metallic films, atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD) and sol-gel techniques. The thin films as an anode material for Li-ion batteries were in the form of nanocrystalline structure, one-dimensional nanorods, carbon nano tube (CNT) added composites and will be an original study for literature. In the concurrent comprehensive project, highly flexible free-standing electrodes named as “Buckypapers” were also produced from carbon nanotubes and were then introduced into thermally evaporated, electrolytically deposited and magnetron sputtered tin, zinz and titanium oxide based electrodes. It is aimed to eliminate volumetric expensions of the these electrodes based anode electrodes during lithium intercalation. In general, the produced films for anode materials for Li ion batteries are original in terms of production techniques and additives. It is suggested the battery performance and cyclic efficiency will be improved compared with the studies carried out with similar materials at the open literature. Electrochemical analyses of battery performance were conducted on the various nanostructured films. The characterization of the produced nanostructured films were done by X-ray Diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM and FESEM) and atomic force microscopy (AFM). The four point probe resistivity measurements will also be done on the conductive films deposited on the different substrates.Keywords: Li-Ion Batteries, SnO2, SnO2:Sb (%90:10), ZnO, TiO2, RF/DC Magnetron Sputtering, Thermal Evaporation, Plasma Oxidation, Atmospheric Chemical Vapor Deposition, Sol-Gel, Carbon Nanotubes.