114M424 numaralı ve “Grafen ile Dekore Edilmiş Yeni Nesil Yüksek Çevrim Kapasiteli Nanokompozit Elektrotların Geliştirilmesi

Abstract

ÖZET Proje kapsamında grafit hammaddesi kullanılarak proje ekibine özgün yöntemler ile yüksek iletkenlik, mekanik ve yüzey alanına sahip çok tabakalı Grafen yapısı üretilmiştir. Üretilen Grafen yapısı nano silisyum tozlarına mekanik alaşımlama yöntemi ile takviye edilerek Si/Grafen kompozit anotlar üretilmiştir. Üretilen kompozit anot içerisindeki grafen miktarı değiştirilerek, grafenin silisyum esaslı kompozit anot üzerine elektrokimyasal etkisi incelenmiştir. Ayrıca piroliz ve hidrotermal yöntemler kullanılarak silisyum nano tozlar amorf karbon kapsülü içerisine hapsedilerek, silisyum/karbon kompozit anot yapıları üretilmiş ve karbon kaplamanın silisyum esaslı anotların elektrokimyasal davranışına etkisi irdelenmeye çalışılmıştır. Katot çalışmaları kapsamında mikrodalga sentezleme yöntemi ile -MnO2 nano teller sentezlemiş ve Grafen/-MnO2 kompozit katotlar hazırlanmıştır. Hazırlanan Grafen/- MnO2 katotlarda da benzer şekilde Grafen takviyesi farklı miktarlarda uygulanarak, -MnO2 katotların elektrokimyasal davranışına Grafen katkısının etkisi incelenmiştir. Proje kapsamında üretilen kompozit anot ve katotların taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile yüzey morfolojileri incelenmiş. Enerji dağılım spektroskopisi (EDS) ile kompozit elektrotların elementel içeriği anlaşılmaya çalışılmıştır. X-ışınları kırınım analizi (XRD) ve Raman spektroskopisi kullanılarak elektrotların faz bileşenleri ve yapıları karakterize edilmiştir. Üretilen kompozit elektrotların elektrokimyasal performans testleri anotlar için 0,05V-1,5V arasında ve katotlar için 1,5V-4,5V arasında sabit akım yoğunluğunda CR2016 test hücreleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Üretilen kompozit anotlar içerisinde ağırlıkça %50 grafen içeren Si/Grafen kompozit anot 30 çevrim sonunda gösterdiği yaklaşık 2000 mAh/g spesifik kapasite değeri ile en iyi anot performansını sergilemiştir. Katotlarda ise ağırlıkça %50 grafen takviyesi içeren Grafen/-MnO2 katot 200 çevrim sonunda gösterdiği 225 mAh/g spesifik kapasite değeri ile en iyi katot performansını göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Silisyum, Grafen, Karbon, -MnO2, katot, anot, kompozit, lityum iyon pil, mekanik alaşımlama, piroliz, hidrotermal, karbon kaplama, elektrokimyasal performans.

ABSTRACT In project scope Graphene structure, which has high conductivity, mechanical and surface area was produced using raw graphite by original methods of Project groups. Multilayer graphen reinforced Si/Graphene composite anodes were produced by mechanical alloying method. Electrochemical effects of graphene on the silicon based composite anode was investigated by altering the amounts of Graphene in produced composite anodes. Moreover, amorphous carbon capsulated silicon/carbon composite anodes were produced via hydrothermal and pyrolysis methods and it was examined the effect of carbon coating on the electrochemical behaviours of silicon based anodes. In the scope of cathode studies, - MnO2 nanowires were synthesized via microwave hydrothermal synthesis method and Graphene/-MnO2 composite cathodes were prepared. In a similar manner, it was applied to different amounts of Graphene reinforcing in the prepared Graphene/-MnO2 cathodes and effect of graphene on the electrochemical behaviours of the -MnO2 cathodes were investigated. In the Project scope, produced composite anodes and cathodes surface morphologies were investigated using SEM. Elementel composition of the composites were investigated using Energy Dispersive Spectroscopy. Phase constituents and structures of the electrodes were characterized using X-ray diffraction patterns (XRD) and Raman spectroscopy. The electrochemical performance tests of the composite electrodes were performed between 0.05V-1.5V for anodes and 1.5V-4.5V for cathodes at a constant current density in CR2016 test cells. Among produced composite anodes, Si/Graphene composite anodes containing 50wt.% Graphene exhibited the best anode performance with the specific capacity of 2000 mAh/g after 30 cycles. In cathodes, 50 wt.% graphene reinforced Graphene/-MnO2 cathode showed the best cathode performance with the 225mAh/g specific capacity value after 200 cycles. Keywords: Silicon, Graphene, Carbon, -MnO2, cathode, anode, composite, lithium ion battery, mechanic alloying method, pyrolysis, hydrothermal, carbon coating, electrochemical performance.