Zeolitik imidazol çerçeve yapılar (ZIF-8 ve ZIF-67) ile grafen oksit nanokompozitlerinin hazırlanması ve  lityum-sülfür bataryalarda kükürt tutucu konak malzeme olarak kullanımı
Preparation of graphene oxide nanocomposites with zeolitic imidazole frameworks (ZIF-8 and ZIF-67) and their use as sulfur host material in lithium-sulfur batteries
Yazar: AYÇA AYDOĞAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ RECEP YÜKSEL
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Anorganik Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Lityum-sülfür (Li-S) bataryalar, 1675 mAh/g'lık yüksek teorik özgül kapasiteleri nedeniyle en umut verici enerji depolama cihazlarından biri olarak kabul edilir. Li-S bataryalar yüksek teorik kapasiteye sahip olmalarına rağmen katotla ilgili problemlerden muzdariptirler. Li-S bataryalar, Li ve S arasında çoklu redoks reaksiyonlara sahiptir ve bu da bir dizi lityum polisülfit ara ürünün oluşmasına neden olmaktadır (Li2Sn, 2 ≤ n ≤ 8). Bu çözünür ara maddeler (n = 4, 6 ve 8) katot kısmından anot tarafına geçerek lityum iyonları ile reaksiyona girerek çözünmeyen Li2S2/LiS üretebilir. Bu istenmeyen durum "mekik etkisi" olarak adlandırılır ve Li dendrit büyümesine, kalıcı lityum kaybının artmasına ve ayrıca güvenlik sorunlarına neden olur. Ayrıca, S'nin yalıtkan doğası, düşük özgül kapasitenin bir başka nedenidir. Son çalışmalar, karbon temelli nanomalzemelerin, örneğin metal-organik çerçeve (MOF)'lerden türetilen karbon malzemelerin ve grafen oksitler ve bunların nanokompozitleri dahil, lityum-sülfür bataryalar için umut verici katot konak malzemeleri olduğunu gösterdi. Bu nedenle, metal-ligand çerçeve yapılardan (ZIF-8 ve ZIF-67) türetilmiş karbon polihedronlar ve iki boyutlu indirgenmiş grafen oksit (rGO) nanokompozitten Li−S bataryalarında S katot için konak malzemeleri sunuyoruz. c-ZIF-8 / rGO ve c-ZIF-67 / rGO nanokompozitler hafif olmaları, yüksek elektronik iletkenlikleri ve iyi elektrokimyasal stabiliteleri nedeniyle umut verici malzemelerdir. Bu çalışmada, yüksek performanslı lityum-sülfür batarya cihazları üretilecek ve karakterize edilecektir. c-ZIF-8 / rGO ve c-ZIF-67 / rGO nanokompozitleri eritme füzyonu kullanılarak S ile yüklenecek ve ardından Li-S batarya hücresi buton pil olarak birleştirilecektir. Üretilen c-ZIF-8 /rGO / S ve c-ZIF-67 / rGO / S katotlarının elektrokimyasal performansı ve kinetiği halkalı voltametri (CV), galvanostatik şarj-deşarj (GCD) ve  çevrim ömrü testleri kullanılarak belirlenecektir.

Abstract:
Lithium-sulfur (Li-S) batteries are considered as one of the most promising energy storage devices due to their high theoretical specific capacity of 1675 mAh/g. Although Li-S batteries possess a high theoretical capacity, they suffer from cathode-related problems. Li-S batteries have multiple electron redox reactions between Li and S, resulting in a series of lithium polysulfide intermediates (Li2Sn, 2 ≤ n ≤ 8). The soluble intermediates (n = 4, 6, and 8) can migrate to the anode side from the cathode, producing insoluble Li2S2/LiS through the reaction with lithium ions. This unwanted process is called as the "shuttle effect," and it exacerbates the Li dendrite growth, permanent lithium loss, and also causes safety issues. Moreover, the insulating nature of S is another reason for the low specific capacity. Recent studies showed that carbon-based nanomaterials such as MOF-derived carbon materials and graphene oxides including their nanocomposites are promising cathode host materials for lithium-sulfur batteries. Therefore, we present nanocomposite host materials from the metal-organic frameworks (ZIF-8 and ZIF-67) derived carbon polyhedrons and two-dimensional reduced graphene oxide (rGO) for S in the cathode in the Li−S batteries. c-ZIF-8/rGO and c-ZIF-67/rGO are promising materials due to their lightweight, high conductivity, and good electrochemical stability. In this work, high performance lithium-sulfur battery devices will be fabricated and characterized. c-ZIF-8/rGO and c-ZIF-67/rGO nanocomposites will be loaded with S using melt-fusion, and then Li-S battery cell will be assembled in the coin cells. The electrochemical performance and kinetics of the fabricated S/cZIF-8/rGO and S/cZIF-67/rGO cathodes will be determined using cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge-discharge (GCD) and cycle life testing.