Çok bileşenli hibrit nanomimarili silisyum/grafen/karbon nanofiber negatif elektrotların geliştirilmesi
Development of multi-component hybrid nanoarchitectured silicon/graphene/carbon nanofiber negative electrodes
Yazar: MAHMUD TOKUR
Danışman: PROF. DR. HATEM AKBULUT
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Enerji depolama = Energy storage ; Enerji depolama sistemi = Energy storage system

Özet:
Bu çalışmanın odak noktası farklı karbon malzemelerinin, elektrokimyasal çevrim testleri sırasında silisyum anotların mekanik bütünlüğü ve elektrokimyasal kararlılığı üzerindeki rolünü incelemektir. Çünkü lityum iyon hücrenin elektrokimyasal performansı kuvvetli bir şekilde, silisyumun lityum ile reaksiyonları sırasındaki mekanik bütünlüğüne bağlıdır. Silisyumda meydana gelen büyük hacim değişimleri (∼%300), aktif malzeme ile akım toplayıcı arasındaki elektriksel bağlantının kopmasına, elektrotun pulverizasyonuna ve bunun sonucunda da hızlı bir şekilde kapasite düşmesine sebep olmaktadır. Bu amaçla, yüksek kapasite ve geniş kararlılığa sahip elektrotlar elde edebilmek için tez çalışmaları kapsamında, silisyum, karbon karası, küresel amorf karbon, indirgenmiş grafen oksit ve karbon nanofiberin çeşitli kombinasyonları ile çok bileşenli anot malzemeleri tasarlanmıştır. İlk olarak, karbon karasının mekanik takviyesi ile elektrotun iletkenliği geliştirilmiştir. Daha sonra, silisyum nanopartikülleri, SEI oluşumunu ve hacim değişikliklerini kontrol edebilmek için yolk-shell yapısına sahip küresel amorf karbon içerisine hapsedilmiştir. Elektrokimyasal ve mekanik performanslarda hala bazı problemler gözlemlediği için, yukarıda belirtilen zorluklara karşı daha iyi koruma sağlayabilmek adına, elektrotta indirgenmiş grafen oksit kullanılmıştır. Üretilen elektrotların elektrokimyasal ve mekanik davranışındaki gelişmeyi daha iyi anlayabilmek için, ilk defa bu çalışmada indirgenmiş grafen oksit esaslı elektrotlar üzerinde gerçek zamanlı stres ölçümleri yapılmıştır. Ayrıca, silisyum üzerine yolk-shell yapısı ve indirgenmiş grafen oksitin turbostatik paket kombinasyonu ile kaplama yapılmasıyla elektrotta çifte koruma sağlanmıştır. Üretilen bu kompozit yapı üzerinde silisyumun tamamen genleşmiş halindeki gerilim oluşumları ANSYS tasarım modelleyicide sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır. Literatürdeki ilk çalışma olan bu hesaplama, indirgenmiş grafen oksit tabakaları arasındaki karbon kabuğunun elektrottaki deformasyonun ve gerilim oluşumunun azalmasına katkısını göstermiştir. Son olarak, iletkenliği ileri derecede arttırmak ve mekanik bütünlüğü daha iyi kontrol edebilmek için sisteme kuvvetli bir şekilde karbon nanofiberler eklenmiştir. Bu araştırmada elde edilen deneysel ve hesaplamalı analizler sonucunda, Si/K/iGO/KNF elektrotu, 500 çevrim sonunda 2370 mAh/g kapasite sergilemiştir. Ayrıca geri dönüşümlü reaksiyonlar sırasında silisyumun lityum ile etkileşimi sonucu ortaya çıkan genleşmelere karşı da oldukça iyi bir yapısal kararlılık göstermiştir. Tez çalışmalarında kullanılan yöntemin oldukça kolay olması sebebiyle üretimin ölçeklendirebilme imkanının yüksek olduğu söylenebilir. Bu sebeple bu çok bileşenli hibrit nanokompozit, elektrokimyasal enerji depolama sistemleri için yeni bir elektrot olma yolunda büyük bir adaydır.

Abstract:
The focus of this study is to investigate the role of different carbon materials on the mechanical integrity and electrochemical stability of silicon anodes during cycling tests. Because, the electrochemical performance of lithium ion cell strongly depends on the mechanical integrity of silicon during the lithium insertion process. Huge volume change of silicon (∼300%) causes undesirable mechanical pulverization of electrodes that results in electrical disconnection between the active materials and the current collector, and eventual fast capacity fading. To this aim, multi-component anode materials are designed with various combinations of silicon, carbon black, spherical amorphous carbon, reduced graphene oxide, and carbon nanofibers for high capacity and long stability electrodes. Firstly, the conductivity of electrode was improved with mechanical addition of carbon black. Then the silicon nanoparticles were trapped in spherical amorphous carbon with yolk-shell structure to control SEI formation and volume changes. Due to still observing some problems in electrochemical and mechanical performances, reduced graphene oxide was used in electrode to better protection against the aforementioned challenges. In order to better understand of improvement in electrochemical and mechanical behavior of electrodes, real-time stress measurements were studied for the first time on reduced graphene oxide based electrodes in this study. Furthermore, double protection was achieved with the combination of yolk-shell structure and reduced graphene oxide turbostatic packing on silicon. In addition, the stress generations in this electrode were calculated after fully expanded silicon using finite element method in ANSYS design modeler. This computational first report presented the contribution of the carbon shell between reduced graphene oxide layer to the deformation and stress generation in electrode. Finally, carbon nanofibers were strongly added to the system to highly improve the conductivity and better control the mechanical integrity. According to the experimental and computational findings obtained in this research, Si/C/rGO/CNFs electrode has exhibited the highest reversible capacity of about 2370 mAh/g after 500 cycles and the fairly good integral stability against lithium insertion-induced expansion of a silicon. Due to easy scaling-up possibility of the method, this multi-component hybrid nanocomposite is a great candidate for becoming a new electrode for electrochemical energy storage systems