Elektrokaplama yöntemiyle  Sn-Cu/ÇDKNT nanokompozit  anotların üretimi ve li-iyon pillerde uygulaması
Sn-Cu / MWCNT nanocomposite anode production by electroplating method and application in li-ion batteries
Yazar: HARUN GÜL
Danışman: PROF. DR. AHMET ALP
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Enerji = Energy ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Son yıllarda Li iyon pilleri taşınabilir elektronik cihazlar için yeniden şarj olabilir piller olarak ana güç kaynakları olmaya başlamışlardır. Ticari Li-iyon pillerinde anot malzemesi olarak grafit yaygın kullanılan bir malzeme olmasına rağmen, daha yüksek performanslı malzemelerin araştırılması hala aktif bir alan olmayı sürdürmektedir. Örneğin, yüksek kapasite değerlerine sahip olmasından dolayı kalay bu alanda kullanılabilecek potansiyel anot malzemelerinden biridir. Bu yüzden, son yıllarda Li-iyon pillerin taşınabilir elektronik cihazlar ve elektrikli araçlar için gelecek vaad eden güç kaynağı olacağına inanılmaktadır. Li-iyon pillerin önemli bileşenlerinden birisi anot elektrot malzemesi olduğundan çok yoğun olarak çalışılmaktadır. Li iyon pilleri için anot malzemesi olarak grafit, ticari olarak yaygın kullanılan malzeme olmasına rağmen, grafit kapasite değerleri ve hız kabiliyeti açısından günümüz enerji ve güç yoğunluğu taleplerini karşılayabilecek düzeyde değildir. Grafite alternatif olarak kalay esaslı elektrot malzemeleri yüksek kapasite değerlerinden dolayı son yıllarda oldukça yoğun ilgi çekmektedirler. Ancak Lityum ile şarj/deşarj esnasında kalay esaslı elektrot malzemesinin pulverizasyon ve deleminasyonun neden olduğu yüksek hacimsel genleşme (∼300%) göstermesinden dolayı günlük hayatta bu haliyle kullanılabilmesi mümkün değildir. Kalay esaslı elektrodun çevrim performansını geliştirmek için hacimsel genleşmeye tampon etkisi yaratabilecek inaktif malzemeden oluşan Sn-Cu intermetalik bileşikleri dizayn edilmiştir. Kalay-bakır alaşımı ve çok duvarlı karbon nanotüpler, kalay esaslı elektrodun çevrim kararlılığını arttırmak için bir araya getirilmiştir.

Sn-Cu/ÇDKNT kompozitleri pirofosfat banyosunda bakır altlık üzerine pulse elektrokompozit kaplama tekniği ile hazırlanmıştır. Bu çalışma akım türü, (kesikli akım yada kesikli dönüşümlü akım), ÇDKNT konsantrasyonu, pik akım yoğunluğu, iş çevrimi ve kaplama süresi gibi elektrokompozit anotların çevrim özellikleri üzerine etkisini araştırmayı amaçlamaktadır. Kompozit malzemeler CR2016 buton pilinde negatif elektrod olarak kullanıldı ve elektrokimyasal olarak test edildi. Üretilen kompozit anot malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri çeşitli analiz teknikleri kullanılarak araştırıldı. Sonuçlar göstermiştir ki, kesikli akım elektrokompozit kaplamada en iyi çevrim performansını 20 g/L ÇDKNT konsantrasyonu ve 80 mA/cm2 pik akım yoğunluğunda üretilen kompozit elektrod sergiledi. Bir diğer en iyi sonuç, kesikli dönüşümlü elektrokompozit kaplamada % 75 iş çevrimi ve 5 dk kaplama süresinde elde edildi.

Anahtar kelimeler: Lityum iyon pil, kalay-bakır alaşımı, kompozit kaplama, pulse elektrolitik kaplama,

Abstract:
Currently, lithium-ion batteries are becoming the main power sources of rechargeable batteries for portable electronics. Although graphite is available commercially as an anode material for Li-ion batteries, the research of high performance materials is still an active area. For example, tin is one of the potential anode materials for Li-ion batteries because of the high capacity. Therefore, in recent years, lithium-ion batteries are believed to be the most promising power source for both portable electronic devices and electric vehicles. As one of important parts of Li-ion batteries, anode electrode materials have been investigated intensively. Although graphite is available commercially as an anode material for Li-ion batteries, capacity and rate capability of graphite cannot meet with the demands of today's energy and power density. Recently, there has been extensive interest and effort to the production of tin-based compounds as alternatives to graphite materials, with the aim of improving the capacity and energy density of lithium ion batteries. However, pure Sn anode has not been put into practical use because of large volumetric changes (∼300%) during Li+ insertion/ extraction, which cause the pulverization and delamination of active materials from current collector during cycling. To improve the cyclic performance of Sn electrode, Sn-Cu intermetallic compounds have been designed to provide an inactive phase that acts as buffer matrix against volumetric changes in active materials. The tin-copper alloy and MWCNTs were combined to improve the cycling stability of tin based electrodes.

Sn-Cu/MWCNT composites were prepared by pulse electrodeposition on a copper substrate in a pyrophosphate bath. This study attempts to investigate the effects of pulse parameter such as current type (Pulse current or Pulse reverse current), MWCNT concentrations, peek current density, duty cycle, plating time on the cyclic properties of electrodeposited composite anodes. The composite materials were assembled as CR2016 button type Li-ion cell as negative electrode and electrochemical tests were performed. Physical and chemical properties of produced composite anode materials were investigated with various analysis methods. The results showed that best of the cycling performance of the composite electrodes was detected at composite electrodes produced by pulse current electrodeposition at MWCNTs concentrations and the applied peak current density were 20 g/L and 80 mA/cm2 respectively. The another best results were observed at composite electrodes produced by pulse reverse current electrodeposition at duty cycle and plating time were % 75 and 5 minutes respectively.

Keywords: Li-ion battery, tin-copper alloy, composite coating, pulse electrodeposition,