Sodyum iyon pil uygulamaları için fosfor/karbon kompozitlerinin sentezi ve elektrokimyasal karakterizasyonu
Synthesis and electrochemical characterization of phosphorus / carbon composites for sodium ion battery applications
Yazar: ENGİN ALKAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MEHMET OĞUZ GÜLER
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Rüzgar ve güneş gibi yenilenebilir enerji kaynakları, fosil yakıtların tükenmesi ve çevresel kaygılar nedeniyle önemleri gün geçtikçe artmaktadır. Mevcut hali ile yer kabuğunda az bulunan lityum kaynaklarının gün geçtikçe azalması ve maliyetlerinin artması bir takım yüksek ölçekli enerji depolama uygun aday olamamasını sağlamaktadır. Ancak, sodyumun yer kabuğunda bol bulunması ve ve ucuz olmasının yanı sıra lityum ile benzer kimyasal özellikler sergilemesi enerji depolama hususunda önemini gün geçtik artmaktadır. Bu nedenle, son yıllarda sodyum iyon pillerin üzerine gidilerek daha fazla araştırma yapılmaktadır.
Bu tez çalışmasında, sodyum iyon pillerde anot elektrodu olarak umut vaat eden kırmızı fosfor seçilmiştir. Ancak söz konusu anot elektrotlarının çevrim performansları henüz tatmin edici seviyede değildir. Deneysel çalışmalar yoluyla partikül boyutları küçültülmüş ve yüzeylerinde iletken karbon tabaka oluşturularak, P/karbon nanotüp ve P/grafen nanokompozitleri sentezlenmiştir. Bunun yanı sıra mekanik alaşımlama yöntemi ile farklı sürelerde fosforun tane boyutları önemli ölçüde küçültülmüştür. Ayrıca, bu elektrot malzemelerinin morfolojisinin ve sodyum depolama mekanizmasının etkileri, alan emisyon taramalı elektron mikroskopisi ve X-ışını toz difraksiyonu de dahil olmak üzere çeşitli karakterizasyon teknikleri kullanılarak araştırılmıştır.
P/KNT kompozitleri, sadece mikro boyutlu kırmızı fosforun KNT'lerle bilyalı değirmende öğütülerek karıştırılmasıyla hazırlanmıştır. Bu şekilde hazırlanan P/KNT kompoziti, beklenmedik bir şekilde, oldukça tersinir sodyum depolamaya sahip olduğu gözlenmiştir. Kötü elektron iletkenliğinin ve kırmızı P'nin muazzam hacim genişlemesinin, kırmızı P'nin geri dönüşümünü ve döngü kararlılığını engelleyen başlıca engeller olduğu sonucuna varılmıştır. Bu problemleri engellemek için Bölüm 2'de bazı yöntemlerden bahsedilmiştir. Bunlardan biri bilyali öğütme yöntemiyle (P/Grafen) kompozitleri hazırlamak için P, grafen nanoyaprakları ile kombine edilmiştir. Böylece P'nin parçacık boyutu azaltılıp grafen nano yaprakları arasına eklenmiştir. Buna ek olarak P/Grafen kompozitinde, fosforokarbon bağları oluşturulmuştur. Bu sonuçlar ışığında P/C kompoziti 100 mA g-1 akım yoğunluğunda 1550 mA g-1'lık tersinir kapasite değeri sağlamış ve 10 çevrim sonunda kapasitesinin %82,5'ini koruyarak mükemmel çevrim kararlılığı göstermiştir.

Abstract:
Renewable energy sources, such as wind and sun, have attracted ever-growing attention due to exhaustion of fossil fuels and environmental concerns. In some applications, lithium ion batteries are not suitable candidates because of the low abundance of lithium resources and their high cost. In comparison, sodium is abundant and cheap, and also has similar physical and chemical properties to lithium. Thus, more and more investigations on sodium ion batteries have been emerging in recent years.
In this thesis work, promising red phosphorus was chosen as the objects of study, although their cycling performance is not yet satisfactory. Through reducing the particle size and forming composites with conductive carbon, P/carbonnanotube (CNT) and P/graphene nanoplate composites were synthesized. Therefore P samples amorphization different times. Moreover, the influences of the morphology and the sodium storage mechanism of these electrode materials were investigated through various characterization techniques, including field emission scanning electron microscopy, X-ray powder diffraction.
P/CNT composite was prepared just by simply mixing microsized red phosphorus with CNTs by ball milling. The thus-prepared P/CNT composite unexpectedly exhibited highly reversible sodium storage. It is concluded that the poor electronic conductivity and huge volume expansion of red P is the main obstacles which inhibit the reversibility and cycling stability of red P. Consequently, we propose some strategies to dissolve these problems in chapter 2. One of them is combination with graphene nanoplate to prepare (P/GnP) composite by the ball-milling method. The particle size was reduced and incorporated in graphene nanoplates, in addition, the phosphoruscarbon bonds were formed in the P/GnPs composite. This chemical bond improves the electrical connectivity between the P particles and the graphene nanoplates, consequently stabilizing the structure of the composite to achieve high cycling performance and rate capability. As a result, the red phosphorus and graphene nanoplate composite delivered high reversible capacity of 1146 mAh g-1 at the current density of 100 mA g-1 and excellent cycling stability for 200 cycles with 92.5% capacity retention.