Sodyum iyon pillerde katot aktif madde olarak kullanılan O3-Na0.9[Mn0.48Fe0.30Cu0.22]O2 maddesinin elektrokimyasal  performansının ca katkılama ile artırılması
Enhancement of the electrochemical performance of Ca substituted O3-Na0.9[Mn0.48Fe0.30Cu0.22]O2 cathode active material for sodium ion batteries
Yazar: YUSUF TAŞ
Danışman: PROF. DR. ŞABAN PATAT ; PROF. DR. FERHAT DALDABAN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Enerji depolama sistemi = Energy storage system ; Katkılama yöntemleri = Doping method ; Metal oksitler = Metal oxides ; Piller = Battery

Özet:
SODYUM İYON PİLLERDE KATOT AKTİF MADDE OLARAK KULLANILAN O3-Na0.9[Mn0.48Fe0.30Cu0.22]O2 MADDESİNİN ELEKTROKİMYASAL PERFORMANSININ Ca KATKILAMA İLE ARTIRILMASI
Yusuf TAŞ 

Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Doktora Tezi, Ağustos 2022
Danışman: Prof. Dr. Şaban PATAT

ÖZET
Tabakalı yapıya sahip O3-Na0.9[Mn0.48Fe0.30Cu0.22] maddesi Co/Ni içermeyen, ucuz ve kolay sentezlenebilen bir katot aktif maddedir. Ancak O3-Na0.9[Mn0.48Fe0.30Cu0.22] katot aktif maddesi havada kararsız ve şarj/deşarj sırasında faz dönüşümü nedeniyle kapasite kaybına uğramaktadır. Bu çalışmada O3-Na0.9[Mn0.48Fe0.30Cu0.22] maddesinin havada kararlılığı artırmak, faz dönüşümü ve kapasite kaybını azaltmak için bir kısım mangan iyonu yerine Ca2+ iyonu katkılandı. O3-Na[Mn0.44Fe0.30Cu0.22Ca0.04], O3-Na0.9[Mn0.44Fe0.30Cu0.22Ca0.04], Ca2+ katkılı O3-Na[Mn0.44Fe0.30Cu0.22Ca0.04] ve Ca2+ katkılı O3-Na0.9[Mn0.44Fe0.30Cu0.22Ca0.04] katot aktif maddeleri birlikte çöktürme metodu ile sentezlendi.
Sentezlenen maddeler, X-ışınları toz kırınımı, alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu, havada kararlılık ve iletkenlik ölçümü metotları ile karakterize edildi. Havada kararlılık ve iletkenlik ölçüm sonuçlarına göre Ca2+ katkılı O3-Na[Mn0.44Fe0.30Cu0.22Ca0.04] ve Ca2+ katkılı O3-Na0.9[Mn0.44Fe0.30Cu0.22Ca0.04] katot aktif maddelerinin havada katkısız olanlardan daha kararlı ve iletkenlik değerlerinin daha yüksek olduğu bulundu. 
Elektrokimyasal ölçüm sonuçlarına göre katot aktif maddeler arasında Ca2+ katkılı O3-Na[Mn0.44Fe0.30Cu0.22Ca0.04] maddesinin 0.1C (16 mA/g) akım değerinde ve 1.5-4.05 V (Na/Na+ çiftine karşı) potansiyel aralığında deşarj kapasitesi (115.6 mAh/g) ve 56 döngüden sonrası kapasite korunumunun (%95.8) diğerlerininkinden daha büyük olduğu bulundu. Bütün bu sonuçlar Ca2+ katkılı O3-Na[Mn0.44Fe0.30Cu0.22Ca0.04] maddesinin ticari sodyum iyon pillerde kullanma potansiyelinin olduğunu göstermektedir.     
Anahtar Kelimeler: Sodyum iyon piller, Tabakalı metal oksitler, Katot aktif maddeler, Ca katkılama

Abstract:
ENHANCEMENT OF THE ELECTROCHEMICAL PERFORMANCE OF Ca SUBSTITUTED O3-Na0.9[Mn0.48Fe0.30Cu0.22]O2 CATHODE ACTIVE MATERIAL FOR SODIUM ION BATTERIES 

Yusuf TAŞ

Erciyes University, Graduate School of Natural and Applied Sciences 
PhD Thesis, August 2022
Supervisor: Prof. Dr. Şaban PATAT 
ABSTRACT
The Ni/Co free layered O3-Na0.9[Mn0.48Fe0.30Cu0.22] is cheap and  easily synthesized cathode active material for rechargeable sodium ion batteries. However, the cathode material, O3-Na0.9[Mn0.48Fe0.30Cu0.22] is unstable in air and suffers a loss of capacity due to phase change during charge/discharge. In this study, Ca2+ ions were substituted for some Mn ions in O3-Na0.9[Mn0.48Fe0.30Cu0.22] material to increase its stability of in air, to reduce phase transformation and capacity loss. O3-Na[Mn0.44Fe0.30Cu0.22Ca0.04], O3-Na0.9[Mn0.44Fe0.30Cu0.22Ca0.04], Ca2+ doped O3-Na[Mn0.44Fe0.30Cu0.22Ca0.04] and Ca2+ doped O3-Na0.9[Mn0.44Fe0.30Cu0.22Ca0.04] cathode active materials were synthesized by coprecipitation method.
The synthesized materials were characterized using X-ray diffraction, field emission scanning electron microscopy, air stability and conductivity measurements.
According to the stability in air and conductivity measurement results, it was found that Ca2+ doped O3-Na[Mn0.44Fe0.30Cu0.22Ca0.04] and Ca2+ doped O3-Na0.9[Mn0.44Fe0.30Cu0.22Ca0.04]cathode active materials are more stable in air than undoped ones and their conductivity values higher.
According to the results of the electrochemical measurement, the Ca2+ doped O3-Na[Mn0.44Fe0.30Cu0.22Ca0.04] material among the cathode active materials has higher discharge capacity (115.6 mAh/g) and capacity retention (95.8%) after 56 charge/discharge cycles at a current value of 0.1C (16 mA/g) and a potential range of 1.5-4.05 V (vs Na/Na+). All these results show that Ca2+ doped O3-Na[Mn0.44Fe0.30Cu0.22Ca0.04] cathode material has the potential to be used in commercial sodium ion batteries.
Keywords: Sodium ion batteries, Layered metal oxide, Cathode active material, Ca doping