SnO2 nanopartikülleri ile dekore edilmiş grafit esaslı kompozitler ve elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, lityum-iyon pillerde kullanılmak üzere genişletilmiş grafit (GG) ve GG/SnO2 kompozitleri başarılı bir şekilde sentezlenmiş ve kapsamlı bir şekilde karakterize edilmiştir. Çalışmanın temel amacı, yüksek kapasite sunan SnO2’nin lityum-iyonlarla tepkime sırasında yaşadığı hacim genleşmesini kontrol altına almak ve çevrim kararlılığını artırmaktır. Bu bağlamda, SnO2'nin genişletilmiş grafit ile birleştirilerek homojen bir kompozit yapısı oluşturulması hedeflenmiştir. Deneysel çalışmalarda, farklı oranlarda SnO2 içeren üç farklı GG/SnO2 kompoziti üretilmiştir. Üretilen kompozitlerin yapısal özellikleri XRD, SEM ve Raman spektroskopisi ile detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. XRD ve SEM analizleri, SnO2 nanopartiküllerinin grafit tabakaları arasında homojen bir şekilde dağıldığını göstermiştir. Raman spektroskopisi sonuçları, genişletilmiş grafitin yapısal düzeninin bozulduğunu ve tabaka arası mesafenin arttığını doğrulamıştır. TG/DTG analizleri, kompozitlerdeki SnO2 oranını ve termal kararlılığı ortaya koymuştur. Elektrokimyasal karakterizasyon kapsamında yapılan şarj-deşarj testleri ve dönüşümlü voltametri analizleri, GG/SnO2 kompozitlerinin saf SnO2’ye kıyasla daha iyi çevrim kararlılığı sunduğunu göstermiştir. GG/SnO2-60 kompozit elektrotu, dengeli bir SnO2 oranı sayesinde uzun çevrim ömrü ve yüksek kapasite değerleri sunarak en iyi performansı sergilemiştir. Bu tez çalışması, lityum-iyon pillerde kullanılabilecek yüksek performanslı ve uzun ömürlü anot malzemelerinin geliştirilmesine yönelik önemli bir katkı sağlamaktadır.

In this thesis, expanded graphite (EG) and EG/SnO2 composites were successfully synthesized and comprehensively characterized for potential use in lithium-ion batteries. The primary objective of this study is to address the significant volume expansion problem of SnO2 during lithium-ion intercalation, which negatively affects cycle stability. To mitigate this issue, SnO2 was combined with expanded graphite to create a homogeneous composite structure. In the experimental work, three different EG/SnO2 composites with varying SnO2 content were produced. The structural properties of the composites were analyzed in detail using XRD, SEM, and Raman spectroscopy. XRD and SEM analyses demonstrated that SnO2 nanoparticles were homogeneously distributed between graphite layers. Raman spectroscopy results confirmed that the structural order of expanded graphite was disrupted, and the interlayer spacing increased. TG/DTG analyses provided insights into the SnO2 content and thermal stability of the composites. Electrochemical characterization, including charge-discharge tests and cyclic voltammetry analyses, revealed that EG/SnO2 composites exhibited superior cycling stability compared to pure SnO2 electrodes. Among the composites, EG/SnO2-60 demonstrated the best performance by offering a balanced SnO2 ratio, long cycle life, and high capacity. This thesis contributes significantly to the development of high-performance and long-lasting anode materials for lithium-ion batteries. The findings suggest that EG/SnO2 composites can be considered promising candidates for next-generation energy storage systems.