Katı lityum hava pilleri için polimer jel elektrolitlerin geliştirilmesi
Development of polymer gel electrolytees for solid lithium air cells
Yazar: MUSTAFA ÇELİK
Danışman: DOÇ. DR. TUĞRUL ÇETİNKAYA
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Şarj edilebilir piller arasında, lityum oksijen (Li-O2) pilleri en yüksek teorik özgül enerji yoğunluğundan birini sunar (yaklaşık 11,5 kWh / kg). Geleneksel, susuz şarj edilebilir bir lityum-oksijen pilleri (LOB), lityum metal anot, gözenekli bir katot, Li + iletken sıvı elektrolit ve iki elektrot arasında kısa devreyi önlemek için kullanılan bir seperatörden oluşur. Ancak LOB'larda sıvı elektrolit kullanımını engelleyen; düşük buharlaşma sıcaklığı, metal anot yüzeyinin pasifleştirilmesi ve 4.0 V üzeri yüksek potansiyellerde elektrolitin ayrışması gibi çeşitli problemler vardır. Uçucu, yanıcı ve sızan sıvı elektrolitlerin jel polimer elektrolitlerle (GPE) değiştirilmesi genellikle sorunların çözümünde etkili bir yaklaşım olarak kabul edilir. GPE üretimi için önemli matrislerden biri olan polivinilidenflorür-heksaflüoropropilen (PVDF-HFP), yüksek çözünürlüğü, düşük kristalliği, iyi elektrokimyasal ve mekanik özelliklerinden faydalanılarak Li-O2 bataryaya başarıyla uygulanmıştır. 
Bu çalışmada amacımız; uçucu, yanıcı ve sızıntı yapabilen sıvı elektrolitleri polivinilidenflorür-heksaflüoropropilen (PVDF-HFP) bazlı GPE'ler ile değiştirmektir. Jel-polimer elektrolitler, PVDF-HFP polimerinin Aseton, Dimetilformamid ve farklı konsantrasyonlardaki lityum tuzları ile çözündürülmesiyle hazırlandı. Lityum tuzlarının 1.0 M'den 2.0 M'ye değiştirilen konsantrasyonlarını içeren LiTFSI / PVDF-HFP, LiClO4 / PVDF-HFP ve LiPF6 / PVDF-HFP GPE'lerini hazırladık. Lityum tuzlarının ve farklı konsantrasyonlarının lityum-oksijen pillerindeki GPE'lerin; iyonik iletkenliği ve elektrokimyasal performansı üzerindeki etkisini araştırdık. Bu çalışmada, seramik dolgu maddeleri olarak Al2O3, TiO2 ve LATP nano tozlarını kullanarak oldukça iletken GPE'ler sentezledik. Kompozit GPE'ler, aseton ve Dimetilformamid içinde çözülmüş ağırlıkça %16 PVDF-HFP polimeri ve TEGDME çözücüsü içinde çözülmüş 1M LiTFSI karıştırılarak hazırlanmıştır. Al2O3, TiO2 ve LATP dolgu maddeleri ağırlıkça farklı oranlarda ilave edilerek seramik dolgu maddelerin ve ağılıkça değişimlerin etkisi LOB'larda kompozit jel polimer olarak araştırılmıştır. GPE'lerin elektrokimyasal performansı ECC-Air test hücresi kullanılarak test edildi. Bu hücrede anot olarak lityum folyo, katot olarak gaz difüzyon tabakası (GDL, Sigracet 24BC) ve elektrolit olarak GPE'ler kullanıldı. Li-O2 hücrelerinin reaksiyon potansiyelleri, dönüşümlü voltametri (CV) ile jel polimer elektrolitlerinin iyonik iletkenliği elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) yöntemleriyle incelenmiştir. Hücrelerin galvanostatik şarj-deşarj profili, 0.1 mA / cm2'de 2 V-4.5 V arasında gerçekleştirildi. Sonuçlarımız, yüksek iyonik iletkenlik ve en iyi çevrim ömrüne sahip bileşimleri göstermektedir. Sonuçlarımızda, optimum tuz konsantrasyonunu ve seramik dolgu bileşimini tespit ettik.

Abstract:
Among rechargeable batteries, lithium oxygen (Li-O2) batteries offer one of the highest theoretical specific energy density (about 11.5 kWh / kg). It consists of a conventional, anhydrous rechargeable lithium-oxygen battery (LOB), lithium metal anode, a porous cathode, Li + conductive liquid electrolyte, and a separator used to prevent a short circuit between the two electrodes. However, it prevents the use of liquid electrolytes in LOBs; There are various problems such as low evaporation temperature, passivation of the metal anode surface and decomposition of the electrolyte at higher potentials after 4.0 V. Replacing volatile, flammable and leaking liquid electrolytes with gel polymer electrolytes (GPE) is generally considered an effective approach to solving problems. Polyvinylidenfluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), one of the important matrices for the production of GPE, has been successfully applied to the Li-O2 battery, utilizing its high solubility, low crystallinity, good electrochemical and mechanical properties. 

Our aim in this study; replacing volatile, flammable and leaking liquid electrolytes with polyvinylidenfluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) based GPEs. Gel-polymer electrolytes were prepared by dissolving the PVDF-HFP polymer in Acetone, Dimethylformamide and dissolved type lithium salts and their different concentrations. We prepared LiTFSI / PVDF-HFP, LiClO4 / PVDF-HFP and LiPF6 / PVDF-HFP GPEs containing concentrations of lithium salts changed from 1.0 M to 2.0 M. GPEs in lithium-oxygen batteries of lithium salts and different concentrations; We investigated its effect on ionic conductivity and electrochemical performance. In this study, we synthesized highly conductive GPEs using Al2O3, TiO2 and LATP nano powders as ceramic fillers. Composite GPEs were prepared by mixing 16% by weight PVDF-HFP polymer dissolved in acetone and Dimethylformamide and 1M LiTFSI dissolved in TEGDME solvent. By adding Al2O3, TiO2 and LATP fillers in different proportions, the effect of ceramic fillers and weight changes has been investigated as a composite gel polymer in LOBs. Electrochemical performance of GPEs was tested using the ECC-Air test cell. In this cell, lithium foil was used as anode, gas diffusion layer (GDL, Sigracet 24BC) as cathode and GPEs were used as electrolyte. The reaction potential of Li-O2 cells was investigated by cycling voltammetry (CV) and ionic conductivity of gel polymer electrolytes by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) methods. The galvanostatic charge-discharge profile of the cells was realized between 2 V-4.5 V at 0.1 mA / cm2. Our results show compositions with high ionic conductivity and best cycle life. In our results, we determined the optimum salt concentration and ceramic filler type.