Şarj edilebilir lityum-sülfür (Li-S) pillerde elektro eğirme yöntemi kullanılarak katot performansının geliştirilmesi
Improving cathode performance using electrospinning method in rechargeable lithium-sulfur (Li-S) batteries
Yazar: FATİH ALTUN
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA ŞENGÖR ; DOÇ. DR. DAMLA EROĞLU PALA
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Elektrik enerjisi = Electrical energy ; Elektrokimyasal piller = Electrochemical cells

Özet:
Lityum-sülfür (Li-S) piller, günümüzde en yaygın kullanılan lityum-iyon pillere kıyasla daha yüksek enerji yoğunluğu, daha düşük maliyet ve daha fazla çevre dostu bir teknoloji vadetmektedir. Fakat, özellikle çevrim ömrü başta olmak üzere farklı birçok konuda karşılaşılan sorunlar sebebiyle lityum-sülfür pil teknolojisi lityum-iyon pil teknolojisi kadar ilerleme kaydedememiştir. Li-S pillerde karşılaşılan zorlukların geliştirilecek nanokompozit yapılarla ve yeni üretim yöntemleriyle üstesinden gelineceği düşünülmektedir. Bu nanokompozit yapıların elde edilmesi alışılagelmiş yöntemlerin küçük farklarla iyileştirilmesiyle değil majör değişikliklerle keşfedilen yeni yöntemler ile mümkündür. Bu sebeple bu çalışmada elektro-eğirme yöntemi ile şerit döküm yöntemi hibrit bir şekilde kullanılarak üretilen Li-S hücrelerin kapasiteleri yüksek seviyelere getirilmiştir.  
Bu tezde elektro-eğirme metodu kullanılarak lityum-sülfür pillerde kullanılmak üzere katot üretimi yapılmıştır. Üretimde literatüre yeni bir bakış açısı getireceği düşünülen özel tasarım eşsiz düzenekler kullanılmıştır. Bu düzeneklerdeki ana fikir elektro-eğirme yöntemini kaplama yöntemleriyle birleştirmek üzerinedir. Elektro-eğirme ve kaplamanın aynı anda kullanıldığı cihazlar, şırınga içi kaplanacak solüsyon için homojenlik sağlayan cihazla entegre edilmiş, deneysel çalışmalar kapsamında tamamı bir bütün olarak birlikte kullanılmıştır.
Gerek lityum-iyon gerek lityum-sülfür pillerde genellikle bağlayıcıların ana hedefi mukavemeti, esnekliği ve bütünlüğü sağlamak üzerine kuruludur. Bağlayıcılar genel olarak iletken değildir, elektrokimyasal olarak aktif değildir ve elektrotlara düşük oranlarda eklenir. Her ne kadar doğrudan eklendiğinde bağlayıcıları iletken hale getirmenin ve eklenen bağlayıcı miktarını azaltmanın yolları olsa da hepsinin kendi içerisinde önemli dezavantajları vardır. Bu dezavantajlar elektro-eğirme yöntemi ile pratik bir şekilde yüksek oranda aşılmıştır. Çalışmada polivinilidin florür (PVDF) fiberleri iletken karbon ve yalıtkan sülfür parçacıklarını bir arada tutarak katoda yüksek sülfür yüklenmesini sağlamıştır. Özgün yöntemle üretilen katotların morfolojileri taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak incelenmiş ve sergiledikleri elektrokimyasal performans, galvanostatik şarj deşarj testleriyle değerlendirilmiştir. Elde edilen katotlarda kolektörün dönüş hızının ve üretim süresinin elektrokimyasal performans üzerine etkisi gözlemlenmiş ve tartışılmıştır.

Abstract:
Lithium-sulfur (Li-S) batteries promise higher energy density, lower cost, and a more environmentally friendly technology compared to the widely used lithium-ion batteries in contemporary applications. However, lithium-sulfur battery technology has not progressed as much as lithium-ion battery technology, especially in terms of cycle life. Yet, it is believed that this situation could evolve into a promising future with novel nanocomposite structures and new production methods explicitly developed for lithium-sulfur batteries. Achieving these nanocomposite structures is possible not through continuous minor adjustments to conventional methods but through major changes discovered with new techniques. Therefore, in this study, Li-S cells produced using a hybrid approach of electrospinning and strip casting methods have been employed to elevate the capacity to high levels. 
In this thesis, cathode production for lithium-sulfur batteries using the electrospinning method has been carried out. Specially designed unique devices, believed to bring a new perspective to the literature, have been utilized in the production. The main idea of these devices is to combine the electrospinning method with coating methods. Devices that use electrospinning and coating simultaneously are integrated with a device that ensures homogeneity for the solution to be coated inside the syringe, and within the scope of experimental studies, they have been used together as a whole. 
In both lithium-ion and lithium-sulfur batteries, binders typically aim to provide strength, flexibility, and integrity. Binders are generally non-conductive, non-electrochemically active, and added to electrodes in low proportions. Although there are ways to make binders conductive when directly added and reduce the added binder amount, each has significant disadvantages. These disadvantages have been practically overcome to a high extent with the electrospinning method in this study. Polyvinylidene fluoride (PVDF) fibers in the study have facilitated high sulfur loading in the cathode by holding conductive carbon and insulating sulfur particles together. The morphologies of the cathodes produced with the original method have been examined using scanning electron microscopy (SEM) and their electrochemical performance has been evaluated through galvanostatic charge-discharge tests. The impact of collector rotation speed and production time on the electrochemical performance has been observed and discussed in obtained cathodes.