Li22Si5–grafen kompozit anotların lityum–iyon pillerdeki performanslarının incelenmesi
Investigation of the Li22Si5–graphene composite anodes  performance  in lithium-ion batteries
Yazar: SÜLEYMAN CAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ANIK
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Günümüzde yaygın olarak kullanılan fosil yakıtların, yakın gelecekte dünyanın enerji ihtiyacını karşılayamayacak hale gelmesi kaçınılmazdır. Bu sebeple yenilenebilir enerji kaynakları konusundaki araştırma ve geliştirme çalışmaları, dünya çapında ilgi çeken konulardan biri haline getirmiştir. Dolayısıyla enerji üretimi ile depolanması için gelişmiş cihazları ve ilgili malzemeleri araştırmak, artan küresel enerji talebini karşılamak için kilit bir konudur. Günümüzde Li-iyon piller, taşınabilir elektronik cihazlar için ana enerji depolama teknolojisi olarak kabul edilmektedir ve yakın gelecekte de bu konumunu koruyacağı öngörülmektedir.
Bu çalışmadaki amaç, Li-iyon pil uygulamaları için Si anoduna alternatif olabilecek Li22Si5 alaşımı ve grafen esaslı kompozit anot malzemelerinin sentezlenmesi ve elektrokimyasal performanslarının belirlenmesidir. Bu doğrultuda kimyasal yöntemler kullanılarak sentezlenen indirgenmiş grafen oksit nano yapılı malzeme ve mekanik alaşımlama yoluyla üretilen Li22Si5 alaşımı, kompozit anot olarak hazırlanıp Li-iyon pil performansları incelenmiştir.
Deneysel çalışmalar süresince LiSiRGO10, LiSiRGO15 ve LiSiRGO20 olmak üzere üç farklı bileşime sahip anot malzemeleri kullanıldığı Li-iyon pilde, en iyi elektrot performansını LiSiRGO15 numunesi göstermiştir. LiSiRGO15 anodu, 20 çevrim sonunda 1382 mA sa. g-1 deşarj kapasitesine sahiptir. Bu anot malzeme, başlangıç ve 20. çevrimde sırasıyla %91,7 ve %98,6' lık kulombik verim göstermiştir. Elde edilen deneysel sonuçlara göre, düşük PVDF içeriğine sahip kompozit elektrotlar yüksek bir deşarj kapasitesi sergilemelerine rağmen, çevrimsel performansları oldukça zayıftır. Bununla birlikte PVDF ve RGO içeriğinin artması, kompozit elektrotlarda yük transfer direncinin ve deşarj kapasitesinin tersinmezliğinin artmasına neden olmuştur.

Anahtar Kelimeler: Li-iyon piller, Grafen, Li22Si5 Alaşımı, Kompozit Anot

Abstract:
It is inevitable that fossil fuels, which are widely used today, will not be able to meet the energy needs of the world in the near future. For this reason, research and development studies on renewable energy sources have made it one of the topics that attract worldwide attention. Therefore, searching for advanced devices and related materials for energy production and storage is a key issue to meet the increasing global energy demand. Today, Li-ion batteries are considered the main energy storage technology for portable electronic devices and are expected to maintain this position in the near future.
The aim of this study is to synthesize graphene-Li22Si5 based composite anode materials that can be an alternative to Si anode for Li-ion battery applications and to determine their electrochemical performance. In this direction, reduced graphene oxide nano-structured material synthesized using chemical methods and Li22Si5 alloy produced by mechanical alloying were prepared as composite anode and Li-ion battery performance was investigated.
LiSiRGO15 sample showed the best electrode performance in Li-ion batteries, where anode materials with three different compositions, LiSiRGO10, LiSiRGO15 and LiSiRGO20, were used during experimental studies. The LiSiRGO15 anode has a discharge capacity of 1382 mA h g-1 after 20 cycles.This anode material showed a coulombic efficiency of 91.7% and 98.6%, respectively, in the initial and 20th cycle. According to the experimental results obtained, although composite electrodes with low PVDF content exhibit a high discharge capacity, their cyclic performance is quite poor. However, the increase in the content of PVDF and RGO caused an increase in the charge transfer resistance and irreversibility of the discharge capacity in composite electrodes.

Keywords: Li-ion batteries, Graphene, Li22Si5 Alloy, Composite Anode