Şarj edilebilir lityum bataryalarda katot aktif madde olarak kullanılan LiMn2O4 bileşiğinin çoklu katyon katkılama ile döngü performansının iyileştirilmesi
Improving cycle performance of LiMn2O4 as cathode material for rechargeable lithium batteries, by multiple cation doping
Yazar: NİLAY AKKUŞ
Danışman: PROF. DR. ŞABAN PATAT
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
LiMn2O4, LiCoO2 ve LiNiO2 şarj edilebilir lityum iyon pillerde katot aktif maddesi olarak kullanılmaktadır. Spinel LiMn2O4 bileşiği tabakalı yapıya sahip LiCoO2 ve LiNiO2 bileşikleriyle kıyaslandığında, bol bulunan, ucuz, çevre dostu ve üretimi daha kolay olan bir katot aktif maddedir. Ancak spinel LiMn2O4, şarj/deşarj sırasında kapasite kaybına uğramaktadır. Bu çalışmada kapasite kaybını önlemek için mangan iyonunun bir kısmının yerine bazı metal iyonları katkılandı. Bu amaçla metal iyonu katkılanmış LiM0.10Mn1.90O4 ve LiM0.05M'0.05Mn1.90O4 (M ve M' = Al, Si, Ti ve Cr) bileşikleri sentezlendi.Sentezlenen bileşikler elementel analiz, X-ışınları toz kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve dört uçlu iletkenlik ölçümleri ile karakterize edildi. Metal katkılamanın spinel LiMn2O4 bileşiğinin şarj/deşarj döngü performansına etkisi 1C (148 mA g-1) akım yoğunluğunda ve 3.5 - 4.5 V aralığında incelendi. Elde edilen elektrokimyasal sonuçlara göre, LiMn2O4 bileşiğindeki Mn3+ yerine metal iyonları katkılama ile spinel LiMn2O4 bileşiğinin kapasite kaybının azaldığı buna karşın başlangıç kapasitesinin düştüğü bulundu. Anaç bileşik LiMn2O4, 1C (148 mA g-1) akım yoğunluğu ve 50 şarj/deşarj döngüsünde %22 kapasite kaybına uğrarken aynı şartlarda, LiMn1.90Al0.1O4, LiMn1.90Ti0.1O4, LiMn1.90Cr0.1O4, LiMn1.90Al0.05Si0.05O4, LiMn1.90Al0.05Cr0.05O4 ve LiMn1.90Si0.05Ti0.05O4 bileşiklerinin sırasıyla %5, %11, %7, %2, %7 ve %13 gibi düşük kapasite kaybına uğradığı bulunmuştur. Bu sonuç, LiMn2O4 bileşiğini lityum iyon piller için ilgi çekici yapmaktadır.Anahtar Kelimeler: Lityum İyon Piller, LiMn2O4, Katyon Katkılama, Elektrokimya

Abstract:
LiMn2O4, LiCoO2 and LiNiO2, have been used as cathode materials for Li-ion rechargeable batteries. Compared with layered LiCoO2 and LiNiO2 intercalation compounds, spinel LiMn2O4 has the advantages of naturally abundant, low cost, less toxic and facile preparation, and has attracted great attentions as an alternative positive electrode material for lithium ion batteries. . However, the capacity of spinel LiMn2O4 fades rapidly on charge-dicharge cycling. In this study, to avoid the loss of capacity a small amount of Mn ions is substituted by various dopant ions. For this purpose, metal ion doped insertion compounds LiM0.10Mn1.90O4 and LiM0.05M?0.05Mn1.90O4 (M and M? = Al, Si, Ti and Cr) are prepared.The spinel materials are characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and four probe DC electrical measurement methods. The effect of the cation-substituting on the charge-discharge cycling performance of the spinel LiMn2O4 is investigated in the range of 3.5 - 4.5 V at 1 C (148mA g-1). The electrochemical results indicate that the chemical substitution of some metal ions for Mn3+ in LiMn2O4 lead to decrease of the initial capacity but improve the cycling performance. LiMn1.90Al0.1O4, LiMn1.90Ti0.1O4, LiMn1.90Cr0.1O4, LiMn1.90Al0.05Si0.05O4, LiMn1.90Al0.05Cr0.05O4 and LiMn1.90Si0.05Ti0.05O4 show a low capacity loss of %5, %11, %7, %2, %7 and %13 per 50 cycles at 1 C-rate (148mA g-1) respectively, as compared to 22% for pristine LiMn2O4. This advantage makes LiMn2O4 attractive particularly for lithium ion battery applications.Keywords: Lithium İon Batteries, LiMn2O4, Cation Doping, Electrochemistry