Silisyum katkılı polimerik anot elektrotlara sahip lityum iyon bataryaların CO2 ortamındaki performansının araştırılması
Investigation of the performance of lithium ion batteries with silicon doupted polymeric anode electrodes in CO2 environment
Yazar: ÖZGE ERDOĞAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SELDA TOPÇU ŞENDOĞDULAR
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Elektrotlar = Electrodes ; Elementler = Elements ; FTIR = FTIR ; Kobalt = Cobalt ; Polimerik yapılar = Polymeric structures ; Silisyum = Silicon

Özet:
Elektrikli araçlar ve yenilenebilir enerji depolama birimlerindeki yüksek güç kaynaklarına yönelik artan talepler, yüksek enerji yoğunluğuna sahip yeni nesil Li-iyon pilleri geliştirmeye yönelik araştırma ilgisi uyandırmıştır. Silisyum (Si) grafitten 10 kat daha yüksek özgül kapasiteye (3579 mAh g^(-1))  sahiptir ve yeni nesil LIB'ler için en umut verici aday olarak kabul edilmektedir. Bunun yanı sıra Si anotlar işlem sırasında büyük hacim değişikliği nedeniyle zayıf çevrim ömrü ve düşük kulombik verime sahiptir. Yapılan çalışmalarda bağlayıcı seçiminin hücre performansını önemli ölçüde etkilediği ortaya çıkmıştır. Polimerik bağlayıcılara dayanan iyileştirilmiş çevrim ömrü Si anot araştırmalarında önemli bir ilerlemeyi temsil etmektedir. Bu çalışmada Si mikro partikül katkılı, yapıda bağlayıcı olarak kullanılan polimerlerin hacimsel genişlemesi esnasında oluşan çatlakların önlenmesi için hazırlanan elektrot CO2 ortamında 1180˚C, 8.1 MPa atmosferinde süper kritik noktada tavlanmıştır. Çalışma kapsamında hiçbir işlem uygulanmamış anot elektroda ve geleneksel ısıl işlem ile tavlanmış anot elektroda, kronopotansiyometrik ölçüm, optik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu (SEM), Fourier dönüşüm kızılötesi (FT-IR) spektroskopisi ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ölçümleri uygulanmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda CO2 öncesi anot elektrot ile hazırlanan hücre 50 döngü sorunda %29,1 oranında kapasitesini korurken skCO2 ortamında tavlanan numune ile hazırlanan hücre 50 döngünün sonunda %77,5 oranında kapasitesini koruduğu gözlemlendi. Tüm bu sonuçlar göz önünde bulundurulduğunda CO2 ile tavlama işleminin, L-iyon pilin performansını artırmak için uygun ve çekici bir teknik olduğu gözlemlenmektedir.  

Anahtar Kelimeler: Li İyon Bataryalar, Si Anot, Polimerik Bağlayıcı, CO2 ile tavlama

Abstract:
Increasing demands for high power sources in electric vehicles and renewable energy storage have sparked research interest in developing next-generation Li-ion batteries with high energy density. Silicon (Si) has a specific capacity (3579 mAh g-1) 10 times higher than graphite and is considered the most promising candidate for next-generation LIBs. In addition, Si anodes have poor cycle life and low coulombic efficiency due to large volume changes during processing. Studies have shown that the choice of binder significantly affects cell performance. The improved cycle life based on polymeric binders represents a significant advance in Si anode research. In this study, the electrode prepared to prevent cracks that occur during the volumetric expansion of Si micro-particle doped polymers used as binders in the structure was annealed at a supercritical point at 1180˚C, 8.1 MPa atmosphere in CO2 atmosphere. Within the scope of the study, chronopotentiometric measurement, optical microscope, scanning electron microscope (SEM), Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy and atomic force microscopy (AFM) measurements were applied to the anode electrode without any treatment and to the anode electrode annealed with conventional heat treatment. As a result of the studies, it was observed that the cell prepared with the anode electrode before CO2 maintained its capacity at the rate of 29.1% in 50 cycles, while the cell prepared with the sample annealed in skCO2 environment maintained its capacity at the rate of 77.5% at the end of 50 cycles. Considering all these results, it is observed that annealing with CO2 is a suitable and attractive technique to improve the performance of the L-ion battery.

Keywords: Li-Ion Batteries, Si Anode, Polymeric Binder, Annealing with CO2