Grafen destekli NCA katot elektrotlarının sentezi ve elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesi

Abstract

İnsanoğlunun gelişen teknoloji ve sanayi faaliyetleri ile paralel olarak enerjiye olan ihtiyacı artmıştır. İhtiyaç olan enerjinin büyük bir miktarı fosil yakıtlar ile elde edilmektedir. Kullanılan fosil yakıtların yanmasıyla açığa çıkan zararlı gazlar ozon tabakasına ve doğaya zarar vermektedir. Fosil yakıtların yakın bir gelecekte tükenecek olması insanlığın alternatif enerji kaynakları aramasına neden olmuştur. Bu arayışlar sonucunda temiz ve sürdürülebilir enerji kaynaklarından biri olan lityum iyon piller üzerine çalışmalar yapılmaya başlanmıştır. Lityuum iyon piller özgül kapasiteleri, yüksek voltajları ve yüksek verimlilikleri ile ön plana çıkmıştır. Lityum iyon piller cep telefonu, kamera, bilgisayar gibi teknolojik cihazların yanı sıra elektrikli araçlarda olan kullanımlarıyla umut verici seçeneklerden biri haline gelmiştir. Enerji depolama sistemlerinde sınırlayıcı faktör olarak lityum iyon pillerdeki katot malzemelerinin seçimi dikkat çekmektedir. Tez çalışmasına konu olan Li-NCA katot materyali başta Tesla olmak üzere seçkin birçok markanın ilgi odağı olmuştur. NCA (LiNi0,8Co0,15Al0,05O2), lityum iyon piller için alüminyum ve kobalt ile birleştirilmiş LiNiO2'den oluşan bir katot elektrottur. Avantajları arasında yüksek pratik kapasite (∼200 mA · h / g), geniş çalışma voltajı aralığı (3,0V - 4,3 V)), döngü başına nispeten düşük kapasite kaybı ve düşük maliyet (LiCoO2'den daha düşük) örnek verilebilir. Bu tez çalışmasında, NCA nanopartikülleri sol-jel yöntemi ile sentezlenmiştir. Modifiye edilmiş Hummers yöntemiyle üretilen KNT'ler ve grafen nano tabakalar, yapısal kararlılık sağlamak ve iletkenliği artırmak için takviye elemanı olarak kullanılmıştır. NCA nanopartiküller, katmanların istiflenmesini kısıtlamak için ultrasonikasyon ve vakumlu filtrasyon yöntemi ile grafen nano-tabakalar ve GN / KNT'ler arasında dekore edilmiştir. NCA-GN ve NCA-GN / KNT'lerin nanokompozit elektrotları, CR2032 li-iyon hücresi için bağımsız katot olarak üretilmiştir. Yüksek saflıktaki NCA nanopartikülleri, sol-jel işlemi ile sentezlenmiştir. NCA nanopartiküllerinin ortalama boyutu yaklaşık 150 nm'dir. KNT'ler ve grafen, benzersiz yapıları nedeniyle NCA katot malzemelerinin performansının artmasını sağlamıştır.

Humanity's need for energy has increased in parallel with the developing technology and industrial activities. Most of the energy needed is obtained by fossil fuels. The harmful gases released by the burning of fossil fuels damage the ozone layer and nature. The fact that fossil fuels will be depleted in the near future has caused humanity to seek alternative energy sources. As a result of these searches, studies have been started on lithium-ion batteries, one of the clean and sustainable energy sources. Lithium ion batteries come to the fore with their specific capacities, high voltages and high efficiency. Lithium-ion batteries have become one of the promising options with their use in technological devices such as mobile phones, cameras and computers, as well as in electric vehicles. The choice of cathode materials in lithium-ion batteries draws attention as a limiting factor in energy storage systems. Li-NCA cathode material, which is the subject of the thesis, has been the focus of attention of many distinguished brands, especially Tesla. NCA (LiNi0,8Co0,15Al0,05O2) is a cathode electrode composed of LiNiO2 combined with aluminum and cobalt for lithium ion batteries. Advantages include high practical capacity (200 mA h / g), wide operating voltage range (3.0V - 4,3 V), relatively low capacity loss per cycle, and low cost (lower than LiCoO2). In this thesis, NCA nanoparticles were synthesized by sol-gel method. CNTs and graphene nanosheets produced by the modified Hummers method were used as reinforcing elements to provide structural stability and increase conductivity. NCA nanoparticles are decorated between graphene nano-sheets and GN / MWCNTs by ultrasonication and vacuum filtration method to restrict the stacking of layers. The nanocomposite electrodes of NCA-GN and NCA-GN / MWCNTs were produced as independent cathodes for the CR2032 li-ion cell. High purity NCA nanoparticles were synthesized by sol-gel process. The average size of NCA nanoparticles is about 150 nm. MWCNTs and graphene have improved the performance of NCA cathode materials due to their unique structure.