Li iyon piller için grafen takviyeli spinel LiMn2O4 nanoçubuk katot materyallerinin sentezi ve elektrokimyasal özelliklerinin geliştirilmesi = Synthesis and development of electrochemical properties of graphene reinforced spinel LiMn2O4 nanorods cathode materials for Li-ion batteries

Abstract

Anahtar kelimeler: Li iyon pil, LiMn2O4; katot, nanoçubuk, grafen, Ni ve Cr katkılama, serbest elektrot. Enerji ve çevre uygulamalarına yönelik dünya çapındaki talep arttıkça, taşınabilir elektronikler, hibrit elektrikli araçlar/elektrikli araçlar ve şebeke depolama uygulamaları için yüksek enerji yoğunluğuna sahip verimli enerji depolama cihazları geliştirmeye yönelik çalışmalar gün geçtikce artmaktadır. Bu bağlamda, lityum iyon piller, yüksek gravimetrik ve hacimsel enerji yoğunlukları nedeniyle potansiyel bir aday olarak kabul edilmektedir. Lityum iyon pillerde kapsamlı bir şekilde incelenen alanlardan biri, günümüzde kullanılan gelişmiş kapasite, kararlılık, hız kapasitesi ve uzun çevrim ömrü içeren katot malzemelerini belirlemek ve tasarlamaktır. Birçok katot adayı arasında, spinel LiMn2O4, çevre dostu olma avantajları, bol miktarda manganez kaynağı ve 3 boyutlu lityum difüzyon yolları nedeniyle, yüksek güçlü katot malzemeleri için en iyi adaylardan biri olarak kabul edilmektedir. Fakat, LiMn2O4 elektrot, manganezin çözünmesi, Jahn Teller bozunması ve oksijen boşluklarının oluşumu gibi dezavantajlara sahiptir. Literatürde söz konusu sorunları çözerek elektrokimyasal özellikleri geliştirmek için nanopartiküller, nanoçubuklar, nanotabakalar, gözenekli yapı, içi boş yapılar ve LiMn2O4-karbon kompozitler gibi farklı nanoyapılar ile yüksek akımda gelişmiş elektrokimyasal özellikler için LiMn2O4 yapısında Mn miktarını azaltarak metal iyonu katkılama gibi yöntemler önerilmektedir. Doktora tez çalışmasında etkili elektron tranfer yolu sağlamak amacıyla LiMn2O4 nanoçubuk yapıları üretilmiştir. Başlangıç malzemesi olarak mikrodalga hisrotermal sentez yöntemi ile üretilen -MnO2 nanoteller kullanılmıştır. Katı hal sentez yöntemi ve hidrotermal yöntem kullanılarak LiMn2O4 nanoçubuk yapıları elde edilmiştir. Jahn Teller bozulması ve Mn çözümesi gibi sorunları gidermek için LiMn2O4 yapısına Cr ve Ni katkılanarak LiNi0.2Mn1.8O4 ve LiCr0.2Mn1.8O4 yapıları üretilmiştir. Modifiye edilmiş Hummers yöntemi kullanılarak üretilen grafen ile her bir tozdan kompozitler oluşturarak serbest elektrotlar üretilmiştir. Buna göre en iyi elektrokimyasal performansı, 0,5 şarj/deşarj hızında 139 mAh/g'lık kapasite değeriyle bu yeni yaklaşımla üretilen grafen takviyeli LiNi0.2Mn1.8O4 elektrotun gösterdiği tespit edilmiştir.

Keywords: Li-ion battery, LiMn2O4; cathode, nanorod, graphene, Ni and Cr doping, freestanding electrode. As the worldwide demand for energy and environmental applications increases, efforts to develop efficient energy storage devices with high energy density for portable electronics, hybrid electric vehicles/electric vehicles and grid storage applications are increasing day by day. In this context, lithium-ion batteries are considered as a potential candidate due to their high gravimetric and volumetric energy densities. One of the areas that has been extensively studied in lithium-ion batteries is to identify and design cathode materials currently used, which include improved capacity, stability, speed capability, and long cycle life. Among the many cathode candidates, spinel LiMn2O4 is recognized as one of the best candidates for high-power cathode materials due to its environmental friendliness advantages, abundant manganese source, and 3-dimensional lithium diffusion paths. However, LiMn2O4 electrode has disadvantages such as dissolution of manganese, Jahn Teller distortion and formation of oxygen vacancies. In the literature, different nanostructures such as nanoparticles, nanorods, nanolayers, porous structure, hollow structures and LiMn2O4-carbon composites and methods such as metal ion doping by reducing the amount of Mn in the LiMn2O4 structure for improved electrochemical properties at high current have been proposed to improve the electrochemical properties by solving the aforementioned problems. In this thesis, LiMn2O4 nanorod structures were produced in order to provide an effective electron transfer path. -MnO2 nanowires produced by microwave hyrothermal synthesis method were used as the starting material. LiMn2O4 nanorod structures were obtained by using solid state synthesis method and hydrothermal method. LiNi0.2Mn1.8O4 and LiCr0.2Mn1.8O4 structures were produced by doping Cr and Ni to the LiMn2O4 structure to eliminate problems such as Jahn Teller distortion and Mn dissolution. Free standing electrodes were produced by forming each powder composite with graphene that produced using the modified Hummers method. The electrochemical properties of each electrode were investigated. At the end of the thesis study, the graphene reinforced LiNi0.2Mn1.8O4 electrode produced with this new approach showed the best electrochemical performance with a high capacity of 139 mAh/g at 0,5 charge/discharge rate.