Li-iyon Piller için Genişletilmiş Grafit ve Kalayoksit Kompozit Anotların Geliştirilmesi

Abstract

Önerilen projede, Li-iyon pil elektrot malzemelerinden üstün özelliğe sahip kalay esaslı elektrot malzemesinin hacim genleşmesi problemine özgün bir yaklaşımla çözüm bulmak amaçlanmıştır.

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 formlarda ki karbon (grafit, 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. Genişletilmiş grafit (EG), li-iyon pillerde direkt olarak ya da kompozit halinde elektrot malzemesi olarak kullanılmaktadır. Oldukça yüksek de elektrokimyasal performansa sahiptir. Genişletilmiş grafit (EG) ayarlanabilir ara katman aralığına sahip grafit ile aynı uzun kapsamlı düzenli katmanlı yapıya ve bol miktarda buruşuk/yarı saydam kağıt tarzı grafen tabaka/katman ve türbin katmanı düzenli yapılardan oluşan bal peteği tarzı mikro yapıya sahiptir ve Li+ için önemli ölçüde geniş bir yüzey alanı sunmaktadır.

SnO2 anot malzemesinin üstün özelliklerinin yanında var olan problemlerini çözmek amacıyla nanoyapıda üretim ve karbon esaslı malzeme ile kompozit yapma stratejileri bir arada uygulanacaktır. En ucuz, uzun çevrim ömrüne sahip ve ticari olarak da kullanılan grafitin tabakaları arası mesafesinin açılması (exfoliated graphite) sağlanacaktır. Ardından nanokristal olarak üretilecek olan SnO2 partikülleri bu tabakalar arasına dekore edilecektir. Üretilmiş olan kompozit malzemenin yapısal özellikleri karakterize edilecektir. Ardından SnO2 nanopartikülleri ile dekore edilmiş grafit esaslı kompozit malzeme Li-iyon piller için anot malzemesi olarak hazırlanacak ve elektrokimyasal özellikleri araştırılacaktır.In the proposed project, it is aimed to find a solution to the volume expansion problem of tin-based electrode material, which has superior properties than Li-ion battery electrode materials, with a unique approach.

The production of Li-ion batteries with high specific energy from energy storage systems and high-performance electrode materials for these batteries has gained importance with the increasing interest in the field of energy in recent years. Among these electrode materials, SnO2 is interesting with its high theoretical capacity (1491 mAhg-1), good cycling ability and high columbial efficiency. However, in addition to its superior properties, SnO2 electrode material experiences volume expansion during charging/discharging and thus pulverization. Creating a composite structure with carbon-based materials is a good way to overcome this problem. Carbon in different forms (graphite, graphene, carbon nanotube, carbon fiber, etc.) is a suitable material for electrochemical applications due to its mechanical properties and high chemical stability in acidic or basic solutions over a wide temperature range. Expanded graphite (EG) is used as an electrode material in li-ion batteries, either directly or in composite form. It has a very high electrochemical performance. Expanded graphite (EG) has the same long-extensive ordered layered structure as graphite with tunable interlayer spacing and a honeycomb-style microstructure consisting of abundant crumpled/translucent paper-style graphene sheets/layers and turbine layer ordered structures, and a significantly wide range for Li+ offers surface area.

In order to solve the existing problems of the SnO2 anode material, as well as its superior properties, nanostructure production and carbon-based material composite making strategies will be applied together. Exfoliated graphite, which is the cheapest, has a long cycle life and is used commercially, will be widened. Then, SnO2 particles, which will be produced as nanocrystals, will be decorated between these layers. The structural properties of the produced composite material will be characterized. Then, graphite-based composite material decorated with SnO2 nanoparticles will be prepared as an anode material for Li-ion batteries and its electrochemical properties will be investigated.