M13 virus template as a new approach to electrochemical energy storage in Li-O2 breathing battery cathodes

Abstract

Lityum-Oksijen piller sahip olduğu yüksek teorik enerji yoğunlukları(11,140 Wh kg-1) sebebiyle geleceğin enerji depolama sistemleri arasında ön plana çıkmaktadır. Deşarj prosesinde oksijen katotta indirgenerek (Oksijen indirgeme reaksiyonu, ORR) lityum ile reaksiyonu sonucu Li2O2 oluşturmakta ve şarj sırasında tersinir olarak bozunmaktadır (Oksijen evrim reaksiyonu, OER). Katotta kullanılan katalizörler OER/ORR reaksiyonlarını geliştirmekte ve Li-O2 sistemlerin elektrokimyasal kararlılıklarını arttırmaktadır. Efektif OER ve ORR reaksiyonları için üretilecek katot yapılarının oksijen difüzyonuna imkân veren gözeneklere sahip olması, lityum iyonlarını hızlı ileten, kimyasal kararllığa sahip iyi katalitik etki göstermesi gerekmektedir. Bu amaçla, metal nanopartikülleri ve alfa-mangan oksit nanoçubuklar ile dekore edilmiş indirgenmiş grafen oksit üretimi gerçekleştirilmiştir. Soymetaller (Pd, Ru), OER reaksiyonları için katalitik etki göstererek şarj aşırı gerilimini düşürmekte ve çevrim kararlılığının oluşmasını sağlamaktadır. MnO2 iyi oksijen indirgeme, yüksek katalitik aktivite ve düşük maliyet gibi avantajları sebebiyle Li-O2 pillerde kullanılan fonksiyonel geçiş metal oksit yapılarıdır. Bu çalışmada, ilk aşamada MnO2 yüzeyine Rutenyum nanopartikülleri dekore edildikten sonra ağırlıkça %50 grafen ile bilyalı değirmen yardımıyla kompozit haline getirilmiştir. Üretilen elektrotlar 800 mAh g-1 limitli kapasitede kararlı 40 çevrim göstermiştir. rGO/Pd/α-MnO2 hibrit nanokompozitinde 7500 mAh g-1 ilk çevrim kapasitesi ve kararlı 50 çevrim değerlerine 0.4 V polarizasyon ile ulaşılmıştır. Pd nanopartikülleri, Ru nanopartiküllerden daha yüksek kararlılık göstermiştir. Farklı grafen miktarları (%100, %75, %50) içeren grafen temelli elektrotlar hazırlanmıştır. Grafen kullanımı ile yan reaksiyonların oluşumu engellenerek Li-O2 pillerde daha iyi performans elde edilmiştir. Diğer yandan bitki özü ve M13 virüsleri grafen oksit'in indirgenmesi ve MnO2 nanoçubukların üretilmesinde kullanılmıştır. Biyomalzemelerin kullanımı ile çevre dostu ve bio uyumlu yöntemler ile ileri nanomalzemelerin üretimi sağlanmıştır. Bu tez çalışması, α-MnO2 nanoçubukların ve metal nanopartiküllerin grafen üzerine dekore edilerek sinerjik etkiler ile çevrim kararlılığı ve kapasitenin arttırılarak yüksek verimli Li-O2 pillerin geliştirilmesini konu edinmiştir.

Due to high potential energy densities of lithium-oxygen (Li-O2) batteries (11,140 Wh kg-1) have been explored as one of the most promising energy storage systems for the future generation of state-of-the-art batteries. During discharge, oxygen (from the atmosphere) is reduced at the cathode (Oxygen reduction reaction, ORR), where it reacts with lithium ions released from the lithium metal anode to generate Li2O2, and the discharge residue decomposes during charging (Oxygen evolution reaction, OER). Cathode catalysts significantly improve ORR/OER and the electrochemical stability of Li-O2 systems. To accelerate ORR and OER in Li-O2 cells, a suitable air cathode architecture must possess sufficiently porous distribution to allow oxygen diffusion, high conductivity to transfer lithium ions, chemically stable, and highly catalytic activity. Therefore, we first report metal nanoparticles (e.g., Pd and Ru) and α-manganese oxide nanowire supported by reduced graphene oxide. In the Li-O2 cathode, noble metals are used as oxygen evolution reaction (OER) electrocatalysts to minimise charge overpotential and provide stable cycling performance. MnO2 is an appealing, useful transition metal oxide catalyst in Li-O2 batteries due to its cost effective, high catalytic activity, and good oxygen reduction characteristics. In the first experiment, Ruthenium nanoparticles were incorporated on MnO2 surfaces, and then the mixture was applied to 50% graphene via ball milling. This electrode demonstrates the charge overpotential and stability up to 40 cycles at a limited capacity of 800 mAh g-1. The produced rGO@Pd@α-MnO2 hybrid nanocomposite cathode delivered a full discharge capacity of 7500 mAh g-1 and maintain cycle life upto 50 cycles with a low discharge/charge potential gap of 0.4 V. Our result shows higher stability of Pd despite Ru. Furthermore, graphene-based electrodes with different graphene content (e.g. 100%, 75%, 50%) were prepared, and by reducing graphene, the higher performance of Li-O2 cell was obtained due to preventing side reactions. On the other hand, plant extract and M13 virus were utilized for the reduction of graphene oxide and preparation of MnO2 nanowires, respectively. Using these biomaterials assist in designing advanced nanomaterials through a green and biocompatible process. Overall, the synergistically effects of α-MnO2 nanowires and metal nanoparticles are combined in this study by decorating graphene sheets to boost cyclability and capacity, resulting in highly efficient Li-O2 cell performance.