Lityum iyon pillerde katot aktif madde olarak kullanılan LiFePO4 bileşiğinin karbon kaplama ve metal katkılama ile ektrokimyasal performansının artırılması
Enhancement of electrochemical performance of carbon coated and metal doped LiFePO4 as a cathode active material for lithium-ion batteries
Yazar: HÜSEYİN GÖKTEPE
Danışman: PROF. DR. ŞABAN PATAT
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Bölümü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Olivin LiFePO4 bileşiği tabakalı yapıya sahip LiCoO2 ve LiNiO2 bileşikleriyle kıyaslandığında, bol bulunan, ucuz ve çevre dostu olan alternatif bir katot aktif maddedir. Bu avantajlarına rağmen, yüksek akım yoğunluğunda bileşiğin düşük deşarj kapasitesine sahip olması LiFePO4'ın ticarileşmesini engellemektedir. Düşük deşarj kapasitesinin en büyük sebebi bileşiğin zayıf elektronik iletkenliğidir. Bu problemin üstesinden gelmek için sentez yönteminin optimizasyonu, nano kaplama, tanecik boyutunun küçültülmesi, yüksek valense sahip metal kaplama veya katkılama ve yüzeyin karbotermal kaplama ile iletken hale getirilmesi gibi birçok çalışma yapılmıştır.Bu çalışmada LiFePO4'ın performans veriminin arttırılması için karbon kaplama ve katyon katkılama yöntemleri kullanılmıştır. Bu amaçla karbon kaplı ve metal iyon katkılı LiMxFe1-xPO4/C (M = Ba, Sr, Ce, Er, La ve Bi, x = 0.0 ve 0.02) kompozitleri birlikte çöktürme yöntemleri kullanılarak başarılı bir şekilde sentezlendi. Sentez esnasında karbon kaynağı olarak şeker, süksinik asit, sitrik asit, askorbik asit, tartarik asit, polietilen glikol, maleik asit ve oleik asit kullanıldı. Katyon katkılama ve karbon kaplamanın olivin LiMxFe1-xPO4/C' un şarj-deşarj performans verimine olan etkisi 2.2 - 4.5 V aralığında farklı akım yoğunluklarında ( 0.1C-2C) incelendi.Elektrokimyasal sonuçlar Fe+2 iyonları yerine bazı metal iyonlarını katkılama ve karbon kaplamanın elektrokimyasal performans veriminde artmaya neden olduğunu göstermiştir. Karbon kaynağı olarak tartarik asit ve PEG, şeker, süksinik asit ve PEG kullanılarak sentezlenen LiFePO4/C kompozitlerinin 0.1Cakım yoğunluğunda sırasıyla 161.5, 153 and 151.3 mAh.g-1 deşarj kapasitelerine sahipken aynı şartlarda saf LiFePO4 69 mAh.g-1 deşarj kapasitesine sahiptir. Karbon kaynağı olarak PEG kullanılarak sentezlenen Er katkılı LiEr0.02Fe0.98PO4/C bileşiği ile 149 mAh.g-1 kapasiteye ulaşılmıştır.

Abstract:
Compared with layered LiCoO2 and LiNiO2 intercalation compounds, olivine LiFePO4 has the advantages of naturally abundant, low cost and less toxic and has attracted great attentions as an alternative positive electrode material for lithium ion batteries. Unfortunately, the poor rate performance of LiFePO4 limits its practical application. The major reason for its poor rate capability can be attributed to its intrinsically poor electronic conductivity. To overcome these problems, several strategies are implemented such as optimization of synthetic procedures, carbon nanocoating, particle size minimization, metal powder addition and doping with supervalent ions or carbothermal formation of the surface conducting phase. In the present work, carbon coating and cation doping methods are used to improve the rate performance of LiFePO4. For this purpose, carbon coated and metal ion doped LiMxFe1-xPO4/C (M = Ba, Sr, Ce, Er, La and Bi, x = 0.0 and 0.02) composites are synthesized successfully by using coprecipitation method. During the synthesis sugar, succinic acid, citric acid,ascorbic acid, tartaric acid, polyethlene glycol (PEG), maleic acid and oleic acid are used as carbon sources. The effect of the cation-substituting and carbon coating on the charge-discharge rate performance of olivine LiMxFe1-xPO4/C is investigated in the range of 2.2-4.5 V at different rates, 0.1C-2C (17-170 mA g-1). The electrochemical results indicate that the substitution of some metal ions for Fe2+ in LiFePO4 and carbon coating lead to increase its rate performance. LiFePO4/C composites, synthesized by using tartaric acid plus PEG, sugar, succinic acid plus PEG as carbon sources, show the dicharge capacity of 161.5, 153 and 151.3 mAh.g-1 at 0.1 C-rate (17 mA g-1) respectively, as compared to 69 mAh.g-1 for bare LiFePO4. Er doped LiEr0.02Fe0.98PO4/C composite, synthesized by using PEG as carbon sources, shows the dicharge capacity of 149 mAh.g-1 at 0.1 C-rate, as compared to 136 mAh.g-1 for LiFePO4/C synthesized by using PEG as carbon sources.