SnO2 Esaslı Li-iyon Pil Elektrotların Hacim Genleşmesi Problemini Aşmaya Yönelik Yeni Bir Yaklaşım

Abstract

Enerji depolama sistemlerinden yüksek özgül enerjiye sahip Li-iyon piller ve bu piller için yüksek performanslı elektrot malzemelerinin üretimi son yıllarda enerji alanına ilginin artması ile önem kazanmıştır. Bu elektrot malzemelerinden SnO2 yüksek teorik kapasitesi (1491 mAhg-1), iyi çevrim yeteneği ve yüksek kolombik verimliliği ile ilgi çekicidir. Ancak üstün özelliklerinin yanı sıra SnO2 elektrot malzemesinde şarj/deşarj sırasında hacim genleşmesi ve buna bağlı olarak pulverizasyon görülmektedir. Bu probleme aşmak için karbon esaslı malzemeler ile kompozit yapı oluşturmak iyi bir yoldur. Farklı formlardaki karbon (grafen, karbon nano tüp, karbon fiber v.b.) hem mekanik özellikleri hem de geniş bir sıcaklık aralığında asidik ya da bazik çözeltiler içerisinde yüksek kimyasal kararlılığa sahip olmasından dolayı elektrokimyasal uygulamalar için uygun bir malzemedir. Bu proje kapsamında öncelikle karbon nano tüplerin etrafı ara yüzeyde bir boşluk bırakılarak SnO2 ile kaplanmış ve KNT çekirdekli SnO2 nanotüp (KNT@boşluk@SnO2) yapısı elde edilmiştir. Ardından bu yapı proje kapsamında kimyasal yöntemlerle pulcuk grafitten üretilen grafen tabakaları arasına yerleştirilmiş KNT/SnO2 nanotüp/grafen üç bileşenli kompozit elektrotların üretimi gerçekleştirilmiştir. Literatürde yer almayan tek boyutlu boşluk içeren ve grafen tabakaları arasına dekore edilmiş bu yapı ile SnO2'nin elektrokimyasal çevrimdeki agregasyon ve pulverizasyondan korunmasının sağlanması, çevrim esnasında oluşacak hacimsel genleşmenin karşılanması ve dolayısıyla, oluşacak stresin elimine edilmesi ve lityum iyonlarının difüzyon mesafesinin kısaltılması sorunlarının üstesinden gelinmiştir. Böylelikle, SnO2 nin yüksek teorik elektrokimyasal potansiyelinden faydalanılmış ve ticari Li iyon pillerde uygulamaya aktarılması önündeki engellerden en önemli olan engelin kalkması sağlanmıştır

Li-ion batteries have high specific energy in the energy storage technologies. Production of Li-ion batteries and electrodes with high performance has gained importance in recent years with the increased interest to the energy field. SnO2 is very attractive electrode material because of its high theoretical capacity (1491 mAhg-1), good cyclability and high columbic efficiency. During charge/discharge process, volume expansion and pulverization have occurred in the SnO2 electrodes materials in addition to their superior properties. To overcome this problem, forming composite structure with carbon based materials is a efficiency way. Carbon with different forms (graphene, carbon nano tube, carbon fiber etc.) is suitable materials in electrochemistry applications because of its mechanical properties and its high chemical stability in acidic or basic solutions at a wide temperature range. In this project, SnO2 have been coated onto CNT surfaces with a void space between CNT surface and then SnO2 nanotube with CNT core (SnO2@void@CNT) structure was obtained. Subsequently, this structure was decorated between graphene layers which was produced under the project with Hummer method using flake graphite and hereby CNT/SnO2 nanotube/graphene three component composite will be obtained. The unique architecture with one dimensional void and decorated structure between graphene layers can prevent the SnO2 from aggregation and pulverization, alleviate the huge volume variation of SnO2 during cycling, accommodate the stress formed during lithiation and delithiation process, shorten the diffusion distance of lithium ion during cycling. Consequently, the SnO2 was benefit from high theoretical electrochemical potential and the most important barrier were provided in the removal of the barriers to temptation of commercial Li-ion battery applications.