Yüksek mekanik dayanımına sahip iletken polifloren türevi polimerik bağlayıcının lityum iyon batarya uygulamaları
Lithium ion battery applications of conductive polyfluorene derivative polimeric binder with high mechanical strength
Yazar: ADİL CENGİZ KIĞILCIM
Danışman: DOÇ. DR. EMRE GÜZEL ; DOÇ. DR. EMRAH BULUT
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Lityum iyon piller, elektrik enerjisini kimyasal enerjiye dönüştüren elektrokimyasal sistemlerdir. Tipik olarak her biri bir metal anot (negatif elektrot), bir metal oksit katot (pozitif elektrot) ve bu elektrotlar arasındaki kimyasal reaksiyonu kolaylaştıran bir elektrolitten oluşan birden fazla elektrokimyasal hücreden meydana gelirler. Son yıllarda lityum iyon pil teknolojisindeki önemli gelişmeler, enerji depolama alanında adeta devrim yaratmıştır. Lityum-iyon piller, yüksek enerji yoğunluğu, hızlı şarj/deşarj oranları, düşük kendi kendine deşarj ve uzun ömür gibi sayısız avantajları nedeniyle birçok uygulamada temel güç kaynakları haline gelmiştir. Lityum iyon pil teknolojisindeki önemli gelişmelerden biri, iletken polimer bağlayıcıların keşfedilmesi ve kullanılmasıdır. Bu bağlayıcılar, elektrot malzemelerinin korunmasında ve pil içindeki elektron iletiminin artırılmasında kritik bir rol oynar. Elektrotlar içerisinde bağlayıcı polimerler çoğunlukla %2 ile %5 oranında kullanılmaktadır. Bağlayıcılar belirli bir oranda elektrot ve elektrolit arasında bir arayüzey olarak davranırlar. Bu tez kapsamında, yeni bir iletken polifloren türevi polimer bağlayıcı malzeme (PSBF) hazırlanmış elektriksel iletkenlik ve performans özellikleri kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Yapılan testler, PSBF'nin yüksek iletkenlik sergilediğini ve elektrot malzemeleriyle uyumlu bir yapıya sahip olduğunu ortaya koymuştur. PSBF, 4,7x10⁻³ S/cm'lik bir iletkenlik değeri ve 26,200 g/mol'lük bir molekül ağırlığı göstermiştir. Bu iletkenlik değeri, en çok kulanılan polimer bazlı ticari bağlayıcı olan PVDF'den çok daha yüksektir. PSBF'nin termogravimetrik analizi (TGA) sonucunda, bozunma sıcaklığı değeri 410-480 °C aralığında olduğu görülmüştür. Buradan, PSBF'nin polimerinin farklı sektörlerdeki yüksek sıcaklık içeren çeşitli uygulamalarda rahatlıkla kullanabileceğini göstermektedir Şarj-deşarj testlerinde, NCM622 için PSBF bağlayıcısı ile birlikte kullanıldığında 100 döngüden sonra 231 mAh/g spesifik kapasiteyle %70 kapasite tutma oranı sergilemiştir. Bunun tersine, döngünün sonunda 175 mAh/g spesifik kapasiteye ve %95 kapasite tutma oranına ulaşılmıştır. Elde edilen sonuçlar ile, polispirobifloren türevi bağlayıcıların, gelecekteki yüksek performanslı lityum iyon pillerin geliştirilmesinde kilit bir rol oynayabileceği düşünülmektedir. Yeni bağlayıcı malzemelerin keşfi ve geliştirilmesi, temiz enerji teknolojilerinin yaygın biçimde benimsenmesine katkıda bulunma ve böylece sürdürülebilir bir enerji geleceğini destekleme potansiyeline sahiptir. Bu bağlamda, yenilikçi malzeme ve teknolojilerin araştırılması, enerji depolama alanında gelecekte daha büyük ilerlemelerin önünü açacaktır.

Abstract:
Lithium-ion batteries are electrochemical systems that convert electrical energy into chemical energy. Typically, they consist of multiple electrochemical cells, each comprising a metal anode (negative electrode), a metal oxide cathode (positive electrode), and an electrolyte that facilitates the chemical reaction between these electrodes. In recent years, significant advancements in lithium-ion battery technology have revolutionized the field of energy storage. Due to their numerous advantages, such as high energy density, fast charge/discharge rates, low self-discharge, and long lifespan, lithium-ion batteries have become fundamental power sources in many applications. One of the major developments in lithium-ion battery technology is the discovery and use of conductive polymer binders. These binders play a critical role in protecting electrode materials and enhancing electron transport within the battery. Binders are typically used in electrodes in proportions ranging from 2% to 5%, acting as an interface between the electrode and the electrolyte. In this thesis, a novel conductive polyfluorene-based polymer binder material (PSBF) was prepared, and its electrical conductivity and performance properties were comprehensively investigated. The tests conducted revealed that PSBF exhibits high conductivity and is compatible with electrode materials. PSBF demonstrated a conductivity of 4.7x10⁻³ S/cm and a molecular weight of 26,200 g/mol. This conductivity value is significantly higher than that of PVDF, the most commonly used polymer-based commercial binder. Thermogravimetric analysis (TGA) of PSBF indicated a decomposition temperature range of 410-480 °C. These findings suggest that the PSBF polymer can be readily utilized in various applications across different industries. In charge-discharge tests, when used with the PSBF binder for NCM622100, a specific capacity of 231 mAh/g and a capacity retention rate of 70% were observed after 100 cycles. In contrast, at the end of the cycle, a specific capacity of 175 mAh/g and a capacity retention rate of 95% were achieved. The results obtained suggest that polyspirofluorene-derived binders could play a key role in the development of future high-performance lithium-ion batteries. The discovery and development of new binder materials have the potential to contribute to the widespread adoption of clean energy technologies, thereby supporting a sustainable energy future. In this context, the research and exploration of innovative materials and technologies will pave the way for greater advancements in the field of energy storage.