Heteroatom katkılı grafen temelli anot içeren yeni nesil sodyum iyon pillerin üretilmesi ve performanslarının incelenmesi
Production and performances examination of new generation sodium ion batteries containing heteroatom doped graphene based anode
Yazar: ALİ İHSAN KÖMÜR
Danışman: DOÇ. DR. EDİP BAYRAM
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry

Özet:
Dünya genelinde hızla artan enerji ihtiyacı, çevresel sorunlar ve nüfusun yükselmesi insanlığı enerjiyi doğru ve verimli kullanmaya yönlendirmektedir. Na-iyon piller kabul edilebilir kapasite değeri ve uzun ömürlü olması nedeniyle şarj edilebilir piller arasında Li-iyon pillere en büyük alternatif olarak karşımıza çıkmaktadır. Na-iyon pillerde anot aktif malzemesi olarak kullanılabilecek en muhtemel adaylardan birisi de grafendir. Grafen, elektrokimyasal enerji depolama cihazlarında sahip olduğu olağanüstü özellikleri sayesinde bu sistemler için umut vadeden bir elektroaktif malzemedir.
	Bu tez çalışması kapsamında, solvotermal yöntemle farklı pH değerlerinde üretilen azot katkılı grafenler (N-GN1, N-GN7 ve N-GN13), silisyum-azot katkılı grafen (Si-N-GN) ve demir-azot katkılı grafen (Fe-N-GN) sentezlenmiş ve Na-iyon pillerde anot performansları test edilmiştir. Sentezlenen elektroaktif malzemelerin öncelikle fizikokimyasal karakterizasyonları yapılmıştır. Malzemelerin morfolojik yapıları enerji dağılımlı taramalı elektron mikroskobu (SEM-EDX), geçirimli elektron mikroskobu (TEM) ve N2 adsorpsiyon/desorpsiyon yöntemi ile kristal yapıları ise X-ışını kırınımı (XRD) ile belirlenmiştir. X-ışınları fotoelektron spektrometresi (XPS) ve Raman spektrometresi ile örneklerin yüzey kimyasal yapıları, elementel bileşimleri ve elementlerin bağlanma konfigürasyonları belirlenmiştir.  Elde edilen veriler incelendiğinde N-GN'lerin sık istiflenmiş grafen tabakalardan oluşarak düzenli mikro- ve mezo-gözneklerden oluştuğu anlaşılmıştır. Si-N-GN'nin ise dağınık halde çoklu grafen plakalarından oluşan amorf bir yapıya sahip olurken, Fe-N-GN'nin ise buruşuk yaprak yapısına ek olarak, grafen yapısının içinde büyük küre şeklinde partiküller görülmüştür. N-GN1, N-GN7, N-GN13, Si-N-GN ve Fe-N-GN için spesifik yüzey alanları (SBET) sırasıyla 212, 1049, 1289, 523 ve 482 m2.g-1 olarak hesaplanmıştır. XPS ve Raman verileri ise detaylı bir şekilde ilgili bölümlerde açıklanmıştır. Malzemelerin Na-iyon pillerde anot olarak kullanılabilirliği çalışmaları kapsamında elektrokimyasal analizleri yapılmıştır. N-GN'lerin elektrokimyasal özellikleri kendi yarı hücrelerinde Döngüsel voltametri (CV), Galvanostatik şarj/deşarj (GCD) farklı bağlayıcı ve farklı elektolit kombinasyonlarında değerlendirilmiştir. GCD testlerinde en yüksek kapasite değerleri verilen anot malzemeleri (N-GN13/Na-KMS, N-GN13/PVdF, Si-N-GN/PVdF ve Fe-N-GN/PVdF) seçilmiş ve ileri elektrokimyasal testleri (Dunn&Trassati yöntemi, uzun vadeli dayanıklılık ve performans özellikleri ve EIS'ler) yapılmıştır. Belirlenen optimum parametre ve hücre bileşenlerin uzun ömürlülük testlerinde yüksek stabilitesi ve yüksek kapasite değerleriyle N-GN13/PVdF için 174 mAh.g-1 kapasite bulunurken, Fe-N-GN için 170 mAh.g-1 değer bulunmuştur. Bu malzemelerin yüksek stabilitelerinden dolayı 250 döngü boyunca >%98 Kolombik verimlilik sergilemişlerdir.

Abstract:
Rapidly increasing energy demand worldwide, environmental problems and population growth lead humanity to use energy correctly and efficiently. Na-ion batteries are the biggest alternative to Li-ion batteries among rechargeable batteries due to their acceptable capacity value and long life. One of the most likely candidates to be used as anode active material in Na-ion batteries is graphene. Graphene is a promising electroactive material for these systems thanks to its extraordinary properties in electrochemical energy storage devices.
In this thesis, nitrogen doped graphenes (N-GN1, N-GN7 and N GN13), silicon-nitrogen doped graphene (Si-N-GN) and iron-nitrogen doped graphene (Fe-N-GN) produced at different pH values by solvothermal method were synthesised and their anode performances in Na-ion batteries were tested. The synthesised electroactive materials were firstly physicochemically characterised. The morphological structures of the materials were determined by energy dispersive scanning electron microscopy (SEM-EDX), transmission electron microscopy (TEM) and N2 adsorption/desorption method and their crystal structures were determined by X-ray diffraction (XRD). The surface chemical structures, elemental compositions and elemental bonding configurations of the samples were determined by X-ray photoelectron spectrometry (XPS) and Raman spectrometry.  When the obtained data were analysed, it was understood that N-GNs consisted of densely stacked graphene sheets and regular micro- and mesopores. Si-N-GN has an amorphous structure consisting of dispersed multiple graphene plates, while Fe-N-GN has large spherical particles inside the graphene structure in addition to the wrinkled leaf structure. The specific surface areas (SBET) for N-GN1, N-GN7, N-GN13, Si-N-GN and Fe-N-GN were calculated as 212, 1049, 1289, 523 and 482 m2.g-1, respectively. XPS and Raman data are described in detail in the relevant sections. Electrochemical analyses were carried out within the scope of studies on the usability of the materials as anodes in Na-ion batteries. The electrochemical properties of N-GNs were evaluated in their half-cells by cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge/discharge (GCD) in different binder and different electrolite combinations. The anode materials (N-GN13/Na-CMC, N-GN13/PVdF, Si-N-GN/PVdF and Fe-N-GN/PVdF) with the highest capacity values in GCD tests were selected and further electrochemical tests (Dunn&Trassati method, long-term durability and performance characteristics and EISs) were performed. In the longevity tests of the determined optimum parameter and cell components, 174 mAh.g-1 capacity was found for N-GN13/PVdF with its high stability and high capacity values, while 170 mAh.g-1 value was found for Fe-N-GN. Due to the high stability of these materials, they exhibited >98% Columbic efficiency for 250 cycles.