Kararlı azot-oksit radikalleri taşıyan fosfazen türevi bileşiklerinin sentezi ve şarj edilebilir bataryalarda kullanılabilirlik potansiyellerinin araştırılması
Synthesis of phosphazene derivative compounds containing stable nitrogen-oxide radicals and investigation of potantial usage in rechargeable batteries
Yazar: SEDAT KÜÇÜKKÖYLÜ
Danışman: PROF. DR. SERKAN YEŞİLOT
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Kararlı organik radikal polimerler şarj edileblir lityum iyon bataryaların inorganik katot aktif maddelerine alternatif olabilme özelliğindedir. Bu tez kapsamında radikalik azot-oksit grubu taşıyan bir seri siklofosfazen ve polifosfazen bileşikleri sentezlenip, şarj edilebilir lityum iyon bataryalarda katot aktif madde olarak kullanılabilirlik potansiyelleri araştırılmıştır. Bu amaçla ilk olarak 2-(tert-butilamino)ethanol (2) ve 1,3-di(tert-butilamino)-2-propanol (3) bileşikleri sentezlendi. Bu bileşikler yükseltgenme ajanları ile etkileştirilip 2-(tert-butil-N-nitroksit)etanol (4) ve 1,3-bis(tert-butil-N-nitroksit)-2-propanol (5) bileşikleri sentezlendi. Elde edilen bu organik radikalik bileşiklerin poli(dikloro)fosfazen ve siklotrifosfazen ile nükleofilik sübstitüsyon reaksiyonu sonucu polibis(2-tert-butil-N-nitroksit)etoksi) fosfazen (6), polibis(1,3-bis(tert-butil-N-nitroksit)-2-propanoksi) fosfazen (7), hekza(2-(tert-butil-N-nitroksit)etoksi) fosfazen (8) ve hekza(1,3-bis(tert-butil-N-nitroksit)-2-propanoksi)fosfazen (9) bileşikleri elde edildi. Sentezlenen bileşiklerin (2-9) yapıları kütle spektrometresi, X ışınları kırınımı, 1H NMR, 31P NMR ve IR spektroskopisi yöntemlerinden elde edilen veriler ile aydınlatıldı. Elde edilen bileşiklerin termal özellikleri diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve termogravimetrik analiz (TGA) yöntemleriyle, radikal özellikleri elektron paramanyetik rezonans (EPR) spektroskopisi yöntemi ile, elektrokimyasal davranışları ise döngüsel voltametri (CV) yöntemi ile incelendi. 
Karakterizasyonu tamamlanan bileşiklere elektriksel iletkenlik kazandırmak için iletken karbon ve bağlayıcı ilave edilerek şarj edilebilir piller için yeni katot malzemeleri laboratuvar ortamında hazırlandı. Ticari olarak temin edilen elektrolit (tuz: LiPF6, çözücü: etilen karbonat/dimetil karbonat karışımı) ve mikro poröz seperatör ile [PP:PE(Celgard 3501] pil hücreleri oluşturuldu. Hazırlanan yarım hücrelerin potansiyostat-galvanostat yardımıyla şarj-deşarj kapasitesi, enerji yoğunluğu, güç yoğunluğu ve şarj deşarj ömrü testleri yapıldı.

Abstract:
Another class of cathode materials of rechargeable lithium-ion batteries are redox-active and stable radical polymers which are alternative to inorganic metal oxide cathodes. Within the scope of this thesis, a series of cyclophophazenes and polyphosphazenes were synthesized which are bear radicalic nitrogen-oxide groups. They were also investigated as cathode active materials for rechargeable lithium ion batteries. For this purpose, firstly 2-(tert-butylamino)ethanol (2) and 1,3-di(tert-butylamino)-2-propanol (3) compounds were synthesized. 2-(tert-butyl-N-nitroxide)ethanol (4) and 1,3-bis(tert-butyl-N-nitroxide)-2-propanol (5) were synthesized by the reactions with oxidation agents of (2) and (3) compounds. Polybis(2-tert-butyl-N-nitroxide) phosphazene (6), polybis(1,3-bis(tert-butyl-N-nitroxide)2-propanoxy)phosphazene (7), hekza(2-(tert-butyl-N-nitroxide)ethoxy)phosphazene (8) and hekza(1,3-bis(tert-butyl-N-nitroxide)-2-propanoxy)phosphazene (9) compounds were synthesized from the nucleofilic substitutional reaction of cyclotriphosphazene and poly(dichloro) phosphazene with (4) and (5) compounds. Synthesized compounds (2-9) were analyzed by the mass spectrometry, X-ray crystallography, IR, 1H and 31P NMR spectroscopy. Termal properties, radicalic properties and electrochemical behaviours were investigated by differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA), electron spin resonance (EPR) and cyclic voltammetry (CV) respectively.
New cathode materials on the laboratory conditions were prepared for the rechargeable lithium-ion batteries by added conductive carbon and binding in order to give electrical conductivity to characterized compounds. Battery cells were built with electrolyt (LP30) supplied as commercial (salt: LiPF6, solvent: ethylene carbonate/diethyl carbonate mixture) and micro-porous seperator [PP:PE(Celgard 3501]. Charge-decharge capacity, charge-decharge life, energy and power density prepared battery cells were tested by potansiyostat galvanostat.