Şarj edilebilir lityum bataryalar için yüksek performanslı elektrot malzemelerinin geliştirilmesi
Development of high performance electrode materials for the rechargable lithium batteries
Yazar: MELİKE SEVİM YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. ÖNDER METİN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Anorganik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry

Özet:
Bu çalışmada, enerji depolamada çok önemli bir enstrüman olan şarj edilebilir lityum bataryaları (lityum-iyon ve lityum-hava) için yüksek performanslı yeni nesil elektrot malzemeleri geliştirildi. Elektrot malzemesi olarak ticari olarak satın alınabilen geniş yüzey alanına sahip karbon ve/veya indirgenmiş grafen oksite (rGO) desteklenmiş M-Paladyum (MPd, M: Co, Cu, Ni); M-Platinyum (MPt, M: Co, Cu, Ni) alaşım nanopartikülleri ile demir oksit (Fe3O4) ve kobalt ferrit (CoFe2O4) nanopartikülleri sentezlendi. Sentezlenen sekiz farklı elektrot malzemesi Lityum-iyon veya Lityum-hava bataryalarında test edildi. İlk olarak boyutları 2-3 nm ortalama parçacık boyutuna sahip yüksek kalitede MPd (M: Co, Cu, Ni) ve MPt (M: Co, Cu, Ni) alaşım nanopartikülleri ile 10 nm ortalama parçacık boyutuna sahip CoFe2O4 ve Fe3O4 nanopartikülleri, metal tuzlarının organik çözücü içerisinde surfaktant varlığında (surfactant-asisted) yüksek sıcaklık bozunma metoduyla sentezlendi. Sentezlenen nanopartiküller karbon malzemelere ve rGO'ya sıvı faz kendiliğinden biriktirme (self-assembly) metodu ile desteklendi. Tüm kolloidal nanopartiküllerin ve desteklenmiş nanokompozitlerin yapıları geçirimli elektron mikroskobu (TEM), yüksek çözünürlüklü geçirimli elektron mikroskobu (HR-TEM), yüksek çözünürlüklü taramalı elektron mikroskobu (HR-SEM), X-Ray kırınımı (XRD) ve indüktif eşleşmiş plazma spektroskopisi (ICP-MS) teknikleri ile analiz edildi. Daha sonra sentezlenen nanokompozitler aktif anot veya katot malzemesi olarak kullanılması amacıyla mürekkepleri hazırlandı. Hazırlanan elektrotların performansları; çevrim ömrü, ilk deşarj kapasitesi farklı tarama hızlarında test edildi. Elde edilen nanopartiküllerin oldukça yüksek deşarj kapasitesine sahip olduğu görülüp, şarj edilebilir Lityum bataryalar için oldukça umut vadeden malzemeler olduğu görüldü.

Abstract:
In this work, a new generation of high-performance electrode materials for the rechargeable lithium batteries (lithium-ion and lithium-air), very important instruments in energy storage, have been developed. As the electrode materials; M-Palladium (MPd, M: Co, Cu, Ni) alloy nanoparticles,  M-Platinum (MPt, M: Co, Cu, Ni) alloy nanoparticles, iron oxide (Fe3O4) and cobalt ferrite (CoFe2O4) nanoparticles supported on carbon and / or reduced graphene oxide having a large surface area materials were fabricated. As-synthesized eight different electrode materials were tested in Lithium-ion or Lithium-air batteries. For this purpose, firstly, high-quality MPd (M: Co, Cu, Ni) and MPt (M: Co, Cu, Ni) alloy nanoparticles with 2-3 nm mean particle size,  CoFe2O4 and Fe3O4 nanoparticles were synthesized by surfactant-assisted high-temperature decomposition of metal precursors method in organic solvent. As-synthesized nanoparticles were supported on commercially available carbon black and/or rGO by the liquid phase self-assembly method. The structure of all colloidal nanoparticles and the supported nanoparticles were characterized by transmission electron microscopy (TEM), high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM), high resolution scanning electron microscopy (HR-SEM), X-Ray diffraction (XRD) and inductively coupled plasma spectroscopy ICP-MS) techniques. The synthesized nanocomposites were then used for the preparation of active anode or cathode electodes. For the performance evaluation of all the prepared electrodes, the cycle life and initial discharge capacity tests were conducted at different scan rates. The resulting nanoparticles were found to have very high discharge capacity and be quite promising materials for the rechargeable lithium batteries.