Neredeyse 30 yıl önce dünyanın ilk lityum iyon pili Sony Energetic firması tarafından ticarileştirilmesiyle birlikte yüksek performanslı şarj edilebilir pillere yönelik kesintisiz talep, bu teknolojinin akademik ve ticari ilerlemesine yol açmıştır. Günümüzde ise şarj edilebilir piller, dizüstü bilgisayarlardan otomobillere kadar ve hatta şehirlerin elektrik tedariğine kadar pek çok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Lityum iyon pillerin nispeten düşük maliyeti, toksik olmaması, uzun kullanım ömürleri ve yüksek enerji yoğunlukları bu pilleri çekici hale getirmektedir. Lityum iyon pillerdeki gereksinimleri karşılamak için birçok araştırma grubu LiCoO2, LiNi1−x−yCoxMnyO2, LiMn2O4 ve LiFePO4 gibi birçok olası katot malzemesini kapsamlı ve yoğun bir şekilde araştırmıştır. Bu katot malzemeleri arasında LiMn2O4 (LMO), düşük maliyeti, bol bulunurluğu, çevre dostu olması ve düşük güvenlik tehlikesi avantajları nedeniyle umut verici katot malzemelerinden biri olarak kabul edilmektedir. LMO 148 mAh/g'lık kapasitesinin yanı sıra, Fd-3m uzay gruplu yüz merkezli kübik spinel yapısı, iyon taşınmasını kolaylaştıran ve güç kapasitesini özellikle yüksek oranda iyileştirebilen üç boyutlu (3B) yapısı nedeniyle yoğun ilgi görmektedir. Ayrıca LMO (yaklaşık 4,0 V), LiCoO2'den (yaklaşık 3,6 V) daha yüksek nominal voltaj, yüksek termal kararlılık ve kolay uygulanabilirlik gibi özelliklere de sahiptir. Fakat LMO, kübik spinel fazdan tetragonal spinel faza geçerek 1V'luk düşüşe neden olan Jahn-Teller distorsiyonuna (özellikle 55°C üzerinde), manganezin (Mn) elektrolite çözünmesi ve elektrokimyasal süreç sırasında elektrot yüzeyin de oluşan mikro çatlaklar gibi döngü davranışını ve elektriksel iletkenliği (10−6/cm) düşüren dezavantajlara sahiptir. Çeşitli morfolojilerin sentezi, katkılama ve kaplama dahil olmak üzere bu sorunları ele almak için çeşitli stratejiler literatürde önerilmiştir. Bunların arasında kaplama, LMO'nun söz konusu problemlerini çözmek için kullanılan en kolay yöntemlerden biridir. Özellikle karbon kaplama, kaplama boyunca sürekli bir elektron yolu sağlayarak parçacıkların elektriksel olarak iletken kalmasını sağladığı için en dikkat çeken yöntemlerden biri olarak görülmektedir. Ayrıca, LMO üzerine karbon veya karbon benzeri malzemelerin kaplanmasıyla LMO parçaçıkların elektrokimyasal özellikleri oldukça gelişmiştir. Yine son zamanlarda yapılan çalışmalarda, bal peteği yapısındaki karbonun türevi olan grafen, iki boyutlu yapıları nedeniyle oldukça dikkat çekmektedir. Bu benzersiz nanoyapı gelişmiş elektronik iletkenlik, geniş yüzey alanı (2600 m2/g) ve iyi mekanik esnekliğe sahiptir. Literatürde yapılan bir çalışmada, LiMn2O4/Grafen hibrit kompozit elektrodun 200 çevrim sonrası bile çok az kapasite kaybı olduğunu gözlemlemiştir. Silisyumun elektrokimyasal kullanımları, 1950'lerden itibaren çeşitli keşiflerle şekillenmiş ve özellikle gözenekli silisyum (P-Si) üretimiyle hız kazanmıştır. 1956'da elektrokimyasal şekillendirme üzerine yapılan çalışmalar, 1990'da ise oda sıcaklığında görünür fotolüminesans sergileyen gözenekli silisyum keşfiyle birlikte sensör, lazer, biyomedikal uygulamalar ve optoelektronik alanlarında önemli araştırmaların önünü açmıştır. Elektrokimyasal yöntemlerle elde edilen silisyum nanoparçacıkları, ilaç taşınımından fotovoltaik sistemlerin verimliliğini artırmaya kadar pek çok alanda kullanılmaya başlanmıştır. Gözenekli ve farklı yüzey özelliklerine sahip silisyum yapıları, biyomedikal izleme ve güneş yakıtı üretimi gibi uygulamalarda yeni olanaklar sunmuştur. 2000'li yıllarda, eritilmiş tuz ortamlarında silisyumun elektrokimyasal indirgenmesi yöntemi geliştirilmiş, böylece yüksek saflıkta silisyum üretiminde çevre dostu ve güvenli bir yaklaşım sağlanmıştır. Aynı zamanda elektrokimyasal olarak doplanmış silisyum ve P-N eklem teknolojileri, güneş pilleri ile yarı iletken cihaz üretiminde maliyetleri düşürüp enerji verimliliğini artırma potansiyeli göstermiştir. Günümüzde özellikle lityum-iyon piller için silisyum elektrotlar üzerine yoğunlaşan çalışmalar, hacim değişimlerini dengeleyen, kendini onarabilen ve yüksek performans sunan malzemelerin geliştirilmesini hedeflemektedir. Grafen kaplama, silisyum-karbon nanokompozitler ve gözenekli tasarımlar gibi stratejilerle, bataryaların döngü ömrünü artırmak ve kapasite kayıplarını en aza indirmek amaçlanmaktadır. Silisyum anot malzemesi doğada bol bulunabilir ve çevre dostu özelliğe sahip olmasının dışında, grafit ile kıyaslandığında 10 kat yüksek kapasitesi (yaklaşık 4200 mAh/g, Li4.4Si) ve uygun elektrokimyasal potansiyeli (Li+/Li'ye göre yaklaşık 0,4 V) nedeniyle yüksek enerjili lityum iyon piller için en umut verici anot malzemelerinden biri olarak görülmektedir. Silisyum malzeme, grafit gibi katmanlı bir yapıya sahip değildir. Genellikle yüzey merkezli kübik örgüde elmas kristal yapısında kristalleşmekte ve lityum ile alaşımlama yaparak lityumu depolamaktadır. İlk deşarj sırasında, lityum iyonları, yüzey hacmi değişimi (genleşmesi) ile birlikte bir Li-Si alaşımı oluşturmak için silisyum yüzeyine difüze olmaktadır. Çeşitli Li-Si kimyasal fazları arasında, Li22Si5 en yüksek teorik pil kapasitesine (4200 mAh/g) ve en yüksek hacim genleşmesine (yaklaşık %420) sahiptir. Günümüzde lityum iyon pil uygulamalarında diğer çekici malzemelerden biri karbon aerojeldir. Diğer aerojel malzemeleriyle karşılaştırıldığında, karbon aerojellerin ultra düşük yoğunluk, geniş yüzey alanı, yüksek elektrik iletkenliği, termal ve kimyasal dayanıklılık, iyi mekanik özellikler gibi birçok ilginç özelliği vardır. Karbon aerojeller (KA), kullanılan karbon prekürsörlerinin çeşidi açısından fenolik reçineden türetilmiş karbon aerojeller, diğer karbon allotroplarından (karbon nanotüp ve grafen) türetilmiş aerojeller ve biyokütleden türetilmiş karbon aerojeller olmak üzere üç kategoride sınıflandırılabilir. Yüksek özgül yüzey alanı, ayarlanabilir gözenekliliği, büyük gözenek hacmi, yüksek elektrik iletkenliği ve hidrofobikliği nedeniyle üç boyutlu hiyerarşik ağa sahip olan karbon aerojellerin Lityum iyon piller için ideal malzemeler olduğu düşünülmektedir. Yüksek lisans tezinde mısır nişastası biyokütlesinden sol-jel yöntemi ile sentezlenen karbon aerojelin ultra düşük yoğunluk, geniş yüzey alanı, yüksek elektrik iletkenliği, termal ve kimyasal dayanıklılık gibi özelliklerinden faydalanılmak istenmesinin bir sonucu olarak karbon aerojel/LiMn2O4 kompozit katot ve karbon aerojel/Si kompozit anot elektrotları üretilmiştir. Karbon aerojelin, LMO katotlarda meydana gelen Mn çözünmesini engellemesi ve silisyum anotlarda hacim değişikliklerine karşı tampon görevi görerek elektrot stabilitesini arttırması, elektrotların elektriksel iletkenliğinin, çevrim ömürlerinin ve elektrokimyasal özelliklerini iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Saf LMO ve silisyum nano tozları nişasta biyokütlesinden elde edilen karbon aerojel ile kompozit elektrotlar oluşturulmuştur. Bu özgün yaklaşımla doğada bol bulunabilir, düşük maliyetli prekürsöre sahip karbon aerojel ile hem çevre dostu hemde uzun çevrim ömürlü LMO katot ve Si anot elektrotlarının elde edilmesi hedeflenmektedir. Mısır nişastası biyokütlesinden sentezlenen karbon aerojel ve sentezlenen karbon aerojelden geliştirilen KA/LMO ve KA/Si kompozit elektrot malzemelerinin morfolojik, kimyasal ve elektrokimyasal özellikleri incelenmiştir. Elektrokimyasal testler sonrasında elde edilen sonuçlarla karbon aerojelin Si anot ve LMO katot üzerindeki özellikleri incelenerek Si anot ve LMO katot lityum iyon pil elektrotlarının elektrokimyasal özelliklerine katkıda bulunduğu ispatlanmıştır.
Nearly 30 years ago, following the commercialization of the world's first lithium-ion battery by Sony Energetic, the persistent demand for high-performance rechargeable batteries led to continuous academic and commercial developments in this technology. Today, rechargeable batteries are used widely in numerous applications, ranging from laptops to automobiles and even to the power supply of entire cities. Lithium-ion batteries are particularly attractive due to their relatively low cost, non-toxicity, long service life, and high energy density. To meet the requirements of lithium-ion batteries, many research groups have extensively investigated potential cathode materials such as LiCoO2, LiNi1−x−yCoxMnyO2, LiMn2O4, and LiFePO4. Among these, LiMn2O4 (LMO) stands out as a promising cathode material owing to its low cost, abundant availability, environmental friendliness, and low safety risk. In addition to its capacity of 148 mAh/g, LMO attracts significant attention because its face-centered cubic spinel structure in the Fd-3m space group allows three-dimensional (3D) ion transport, thereby greatly enhancing power capacity. LMO (approximately 4.0 V) also offers advantages such as higher nominal voltage compared to LiCoO2 (approximately 3.6 V), high thermal stability, and ease of implementation. However, LMO has several disadvantages, including the Jahn-Teller distortion (particularly above 55°C), which leads to a transition from the cubic spinel phase to the tetragonal spinel phase and causes a 1 V drop. Additionally, the dissolution of manganese (Mn) into the electrolyte and the micro-cracks that form on the electrode surface during electrochemical cycling adversely affect cycling behavior and reduce electrical conductivity (10−6/cm). Various strategies such as synthesizing different morphologies, doping, and coating have been proposed in the literature to address these issues. Among these, coating is one of the simplest methods for mitigating the aforementioned problems of LMO. Carbon coating, in particular, has garnered significant attention because it provides a continuous electronic pathway throughout the coated layer, ensuring that particles remain electrically conductive. Moreover, coating LMO with carbon or carbon-like materials greatly enhances its electrochemical properties. Recent studies have also highlighted the importance of graphene (a honeycomb structure derivative of carbon) due to its two-dimensional architecture, which provides exceptional electronic conductivity, a large surface area (2600 m2/g), and good mechanical flexibility. One study reported that a LiMn2O4/Graphene hybrid composite electrode exhibits very little capacity loss even after 200 cycles. The electrochemical applications of silicon have evolved through various discoveries since the 1950s, especially gaining momentum with the production of porous silicon (P-Si). Early studies on electrochemical shaping in 1956 and the subsequent 1990 discovery of porous silicon exhibiting visible photoluminescence at room temperature opened up significant research avenues in sensors, lasers, biomedical applications, and optoelectronics. Silicon nanoparticles produced via electrochemical methods have been widely used in areas ranging from drug delivery to improving the efficiency of photovoltaic systems. Porous silicon structures with different surface properties have enabled new possibilities in biomedical imaging and solar fuel production. In the 2000s, the electrochemical reduction of silicon in molten salt environments was developed, offering an eco-friendly and safe approach for producing high-purity silicon. Meanwhile, the electrochemical doping of silicon and the fabrication of P–N junctions have shown promise for reducing costs and improving energy efficiency in solar cells and semiconductor devices. Current research on silicon electrodes for lithium-ion batteries focuses on developing materials that can compensate for volume changes, self-heal, and deliver high performance. Strategies such as graphene coating, silicon–carbon nanocomposites, and porous designs seek to enhance the cycle life and minimize capacity losses. Silicon is considered one of the most promising anode materials for high-energy lithium-ion batteries due to its abundance in nature, eco- friendliness, approximately 10 times higher capacity (around 4200 mAh/g for Li4.4Si) compared to graphite, and a reasonably low electrochemical potential (~0.4 V vs. Li+ /Li). Unlike graphite, silicon does not have a layered structure; it generally crystallizes in a diamond- like structure with a face-centered cubic lattice and stores lithium by forming an alloy with lithium. During the initial discharge, lithium ions diffuse into the silicon surface to form a Li–Si alloy, which involves significant volumetric expansion. Among various Li–Si phases, Li22Si5 offers the highest theoretical capacity (4200 mAh/g) and the greatest volume expansion (~420%). Another attractive material for lithium-ion battery applications today is carbon aerogel. Compared with other aerogel materials, carbon aerogels possess many remarkable properties, including ultra-low density, large surface area, high electrical conductivity, thermal and chemical durability, and good mechanical characteristics. Carbon aerogels (CA) can be categorized into three groups, depending on the carbon precursor: phenolic resin-derived carbon aerogels, aerogels derived from other carbon allotropes (carbon nanotube and graphene), and biomass-derived carbon aerogels. Carbon aerogels with a three-dimensional hierarchical network are considered ideal for lithium-ion batteries because of their high specific surface area, tunable porosity, large pore volume, high electrical conductivity, and hydrophobic nature. In the master's thesis, carbon aerogels synthesized from corn starch biomass via the sol-gel method were utilized to produce carbon aerogel/LiMn2O4 (CA/LMO) composite cathodes and carbon aerogel/silicon (CA/Si) composite anodes. These carbon aerogels exhibit unique properties, such as ultra-low density, large surface area, high electrical conductivity, and exceptional thermal and chemical stability. The goal of utilizing these properties was to improve the performance and stability of the electrodes. Specifically, the carbon aerogel aims to suppress Mn dissolution in LMO cathodes and act as a buffer against volume changes in silicon anodes, thereby enhancing electrode stability, electrical conductivity, cycle life, and electrochemical properties. Composite electrodes were fabricated by combining pure LMO and silicon nanopowders with the carbon aerogels derived from corn starch biomass. This novel approach seeks to leverage a low-cost, environmentally friendly precursor to create sustainable, long-cycle-life LMO cathodes and Si anodes. The morphological, chemical, and electrochemical properties of the carbon aerogels synthesized from corn starch biomass and the resulting CA/LMO and CA/Si composite electrode materials were thoroughly analyzed. Electrochemical tests demonstrated that the carbon aerogels significantly improved the performance of both the Si anodes and LMO cathodes. The results confirmed that the carbon aerogels contributed positively to the electrochemical properties of the Si anodes and LMO cathodes, enhancing their stability and suitability for lithium-ion battery electrodes.
Except where otherwise noted, this item's license is described as http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
