Mobil ve hareketsiz enerji depolama uygulamaları için MWCNT takviyeli nanokompozit li-iyon pil elektrotlarının geliştirilmesi

Abstract

ÖZET Gerçekleştirilen projede Li piller için silisyum (Si) ve kalay esaslı anot, spinel LiMn2O4 esaslsı katot nanokompozit elektrotları geliştirilmiştir. Çok duvarlı karbon nanotüpler (ÇDKNT) tamamen proje ekibine özgün yaklaşımlarla hem bukypaper ve hem de fonksiyonelleştirilmiş karbon nanotüp yığın formlarında aktif elektrot üretimleri için takviye elemanı olarak kullanmışlardır. Bazı yaygın dopant element ilaveleri ile ve yüzeyleri koruyucu bir katmanla kaplanmış spinel LiMn2O4 esaslı katot malzemeleri sol jel yöntemi ile üretilmiş, farklı sıcaklıklarda sinterlenerek, sinterleme sıcaklığının ve ÇDKNT ilavesinin elektrokimyasal performanslara etkisi araştırılmıştır. Si esaslı nanokompozit anotlar mekanik alaşımlama ve vakum sıçratma yöntemleri ile üretilirken, Sn esaslılar için vakum sıçratma ve kesikli elektrolitik biriktirme yöntemi seçilmiştir. Si, Sn ve LiMn2O4 elektrotlar için, geniş bir aralıkta deneysel değişkenler araştırılmıştır. Kompozisyon ve morfolojinin Li pil kapasitesine etkisini araştırmak maksadıyla değişik nano morfolojik yapılar sentezlenmiştir. Pillerin elektrokimyasal testleri CR2016 türü piller üretilerek yapılmıştır. Bu kapsamlı projede, buckypaper olarak adlandırılan serbest elektrot ÇDKNT kağıtlar üretilmiş ve akım toplayıcı olarak kullanılmışlardır. Aynı zamanda, lityum konuklanması sırasında, ÇDKNT içeren elektrotlarla hacim artışının elimine edilmesi amaçlanmıştır. Genelde, proje kapsamında Li iyon piller için üretilen elektrotlar üretim teknikleri ve kullanılan ilaveler açısından özgündür. Pil performansı ve çevrimsel verim açsısından karşılaştırıldığında, literatürde benzer malzemelerle yapılan çalışmalara göre elektrokimyasal özellikler iyileştirilmiştir. Pillerin kapasite ve çevrim ömürlerine sıcaklık etkisini analiz için elektrokimyasal testlerin bir kısmı yüksek sıcaklıkta da yapılmıştır. Üretilen nano yapılı elektrotların karakterizasyonu X-Işınları Difraksiyonu(XRD), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM ve FESEM), Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM), Raman Spektroskjobisi, Termogravimetrik Analiz (TGA) ve Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ile yapılmıştır. Anahtar Kelimeler: Li-iyon Piller, silisyum, kalay, nanokompozit, elektrokimyasal testler, ÇDKNT buckypaper, sol-jel, vakum sıçratma, mekanik alaşımlama, kesikli elektro biriktirme

ABSTRACT In this comprehensive project, Silicon(Si) and tin(Sn) anode and LiMn2O4 cathode nanocomposite electrodes for Li-ion batteries have been developed. Multiwalled carbon nanotubes(MWCNTs) were used as reinforcement for active electrode production either in the form of buckypapers and functionalized carbon nanotube powders with completely authentic approaches planned by project team. Conductive coated spinel LiMn2O4 based cathode materials with some common dopant elements were synthesized by sol-gel method and heat treated at different temperatures to investigate the effect of sintering temperature and the effect of MWCNTs addition on the electrochemical performances. Si based nanocomposite anodes were produced by mechanical alloying, vacuum sputtering, whereas Sn based nanocomposites were produced by vacuum sputtering and pulsed electro co-deposition techniques with a wide range of experimental variables. Various nanomorphologies were synthesized to investigate the composition and morphology effect on the Li battery capacities. The electrochemical tests of the batteries were performed by assembling the manufactured electrodes into CR2016 type batteries. In the comprehensive project, highly flexible MWCNT paper named as “buckypapers” were also produced from carbon nanotubes and were then used as current collector for the free-standing electrodes. It is aimed to eliminate volumetric expansions of these electrodes during lithium intercalation. In general, the produced electrodes for Li ion batteries are original in terms of production techniques and additives. It was determined the battery performance and cyclic efficiency will be improved compared with the studies carried out with similar materials at the open literature. Electrochemical tests were also performed at different temperatures to reveal the temperature effect on the capacity and cycleabilty of the batteries. The characterization of the produced nanostructured electrodes were carried out by X-Ray Diffraction(XRD), Scanning Electron Microscopy(SEM and FESEM), Transmission Electron Microscopy(TEM), Raman spectroscopy, thermogravimetric analysis(TGA) and Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR). Keywords: Li-Ion Batteries, silicon, tin, nanocomposite, electrochemical tests, MWCNT buckypaper, sol-gel, vacuum sputtering, mechanical alloying, pulsed electro co-deposition