Magnezyum ve çok duvarlı karbon nanotüp doplu lifepo4 katod malzemesi kullanarak lityum-iyon pillerin elektrokimyasal performanslarının geliştirilmesi
Enhanci̇ng electrochemi̇cal performances of li̇thi̇um-i̇on batteri̇es by usi̇ng lifepo4 cathode materi̇al that i̇s doped wi̇th magnesi̇um and multi̇-walled carbon nanotube
Yazar: MOHAMMED ABDULKAREEM MANSOOR MOHAMMED AL-SAMET
Danışman: PROF. DR. ENGİN BURGAZ
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Lityum demir fosfat (LiFePO4), yüksek verimli lityum-iyon piller için umut verici bir katod malzemesidir. Bununla birlikte,  LiFePO4 düşük iletkenliğe ve yavaş Li+ iyonlarının taşınımına sahiptir. Bu çalışmada, bu dezavantajların üstesinden gelmek için aşağıdaki işlemler yapılmaktadır: Parçacıklarının yüzeyindeki elektronik iletkenliği iyileştirmek için ince bir karbon tabakası ile kaplanmıştır. Parçacıkların içindeki lityum difüzyonu sağlamak için Mg elementi katkılanmıştır. Parçacıklarının arasındaki elektron taşıması arttırmak için karbon nanotüpler ileve edilmektedir. 
Çalışmalar esnesinde, LiFePO4 katot malzemesine MWCNT ve Magnızyum  katkılaması yapılarak LiFePO4 , LiFePO4-2.5%MWCNT, LiFe0.98Mg0.02PO4-2.5% MWCNT, LiFe0.96Mg0.04PO4-2.5%MWCNT, LiFe0.96Mg0.04PO4-0.25%MWCNT ve  LiFe0.94Mg0.06PO4-2.5%MWCNT  katot malzemeleri hydrotermal reaksiyon yöntemi kullanılarak ve  700 ̊C'ta azot  atmosferinde sinterlenerek  üretilmiştir. Üretilen Numunelerin tozu, kristal yapısını ve parçacıkların morfolojisini belirlemek için X ışını kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu ile karakterize edilmiştir. Üretilen numuneler katot halına getirilerek CR2032 düğme piller üretilmiş ve bu pillerin kapasite ölçümleri ve çevrimsel voltametri incelenmiştir.
 XRD paternleri  gösterir ki, LiFePO4 tozunun Pnma uzay grubu ile ortorombik yapıya (olivin faz) sahip olduğu ve hiçbir safsızlık fazı gözlenmemiştir.  Ancak yüksek Mg katkılamalarda ise LiFe0.94Mg0.06PO4-2.5% MWCNT yapının safsızlık fazları gösterilmiştir. Numunelerin şarj-deşarj performansları incelenmiştir. Yavaş şarj hızında(C/10,C/5,C/2,1C), katkılı LiFePO4 numunelerin çoğunun  saf LiFePO4 numnueden daha az kapasiteye sahip olduğu gözlenmiştir. Fakat  LiFe0.96Mg 0.04PO4-0.25%CNT numunenin Saf LiFePO4 numuneden biraz daha fazla kapasitesi sergilenmiştir. Bununla birlikte, yüksek şarj hızlarında (2C, 3C, 5C), LiFe0.94Mg 0.04PO4-2.5%MWCNT ve LiFe0.96Mg0.04PO4-2.5%MWCNT numuneleri saf  LiFePO4 numuneye kıyasla yüksek kapasite göstermişlerdir.
 LiFe0.96Mg0.04PO4-2.5%MWCNT ve LiFe0.96Mg0.04PO4-0.25%MWCNT   numuneleri 100. döngüden sonra en iyi kapasitesi ve  daha kararlı olduğu  gözlemlenmiştir. Sonuç olarak LiFe0.96Mg0.04PO4-2.5%MWCNT ve LiFe0.96Mg0.04PO4-0.25%MWCNT Mg katkılı pillerin katkılama yapılmamış saf LiFePO4 katot malzemesi kullanılan pillere göre uzun vadede ve yüksek şarj-deşarj hızı daha yüksek kapasiteye sahip olduğu tesbit edilmiştir.

Abstract:
Lithium iron phosphate (LiFePO4) is a promising cathode material for high efficiency lithium-ion batteries. However, LiFePO4 has low conductivity and slow transport of Li+ ions. In this work, the following processes are carried out to overcome these disadvantages: The surface of the particles was coated with a thin layer of carbon to improve electronic conductivity. The Mg element has been doped to provide lithium diffusion inside the particles. Carbon nanotubes were added to increase the electron transport between the particles.
 During this worke LiFePO4, LiFePO4 -2.5% MWCNT, LiFe0.98Mg0.02PO4 -2.5% MWCNT, LiFe0.96Mg0.04PO4 -2.5% MWCNT and LiFe0.96Mg0.04PO4 -0.25% MWCNT   and LiFe0.94Mg0.06PO4 -2.5% MWCNT materials was  produced by used hydrothermal reaction method and by sintered in a nitrogen atmosphere at     700 °C. The pproduced samples were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy to determine the crystal structure and particle morphology. Later, the produced samples were converted into cathodes, CR2032 coin cell batteries were produced and their capacity measurements and cyclic voltammetry were examined.
 The XRD pattern showed that, the LiFePO4 powder has orthorhombic structure (olivine phase) with Pnma space group and no impurity phase is observed, while in higher additives, the impurity phases of the LiFe0.94Mg0.06PO4 -2.5% MWCNT structure was noted. Charge-discharge performances of samples were investigated. The slow charge rate (C / 10, C / 5, C / 2,1C) has been observed that, most of the doped LiFePO4 samples have less capacity than pure LiFePO4 samples. But LiFe0.96Mg0.04PO4-0.25% MWCNT exhibited slightly more capacity than Pure LiFePO4 sample. However, at high charge rates (2C, 3C, 5C), LiFe0.94Mg0.06PO4-2.5%MWCNT and LiFe0.96Mg 0.04PO4-2.5%MWCNT samples showed high capacity compared to pure LiFePO4 sample.
  LiFe0.96Mg0.04PO4 -2.5%MWCNT ve LiFe0.96Mg0.04PO4-0.25%MWCNT   sample were observed to be the best capacity and more stable after the 100th cycle. The result determined that, LiFe0.96Mg0.04PO4 -2.5% MWCNTve LiFe0.96Mg0.04PO4-0.25%MWCNT  samples, Mg and MWCNT additive batteries have higher capacity in the long term and higher charge-discharge rate than batteries using pure LiFePO4 cathode material.