Lityum iyon piller için nano ölçekli spinel yapılı katot materyallerinin sentezi
Synthesis of nano scaled spinel structured cathode materials for lithium ion batteries
Yazar: EMRAH BULUT
Danışman: PROF. DR. MAHMUT ÖZACAR
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fizikokimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry
Dizin: Elektrokimyasal piller = Electrochemical cells ; Elektrokimyasal ölçümler = Electrochemical measurements ; Hidrotermal sentez = Hydothermal synthesis ; Mikrodalga ısıtma = Microwave heating ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Piller = Battery

Özet:
Günümüzde ikincil pil alanındaki aktif çalışmalar şarj edilebilir lityum piller üzerine odaklanmıştır. Uzun şarj-deşarj döngü ömrü, hafıza etkisi göstermemesi, maliyetlerinin düşmesi, çevreye dost olması dolayısıyla cep telefonu, bilgisayar, dijital kamera gibi taşınabilir elektronik cihazlar için vazgeçilmez bir güç kaynağı haline gelmiştir. Lityum iyon pillerin elektrikli araçlar ve akıllı şebekeler için de geleceğin güç kaynağı olacağı iddia edilmektedir. Şarj edilebilir lityum iyon pillerin spesifik güç yoğunluğunun ve akım yoğunluğunun arttırılması bilim ve endüstri çevresinde en çok ilgi çeken konu haline gelmiştir. Günümüzde bunu gerçekleştirebilmek için nano elektrot aktif materyalleri içeren elektrotlar incelenmektedir. Lityum iyon pillerin kapasitesi genellikle katot ile sınırlıdır. Katodun kapasitesini arttırmak lityum iyon pilin performansını yükseltmek anlamına gelir. Günümüzde çeşitli morfolojilerde nano yapılı lityum katot aktif materyalleri üzerinde çalışılmaktadır. Çalışmalar, bilgisayar ve cep telefonlarında kullanılan LiCoO2 yerine spinel LiMn2O4 ve metal katkılı LiMxMn2-xO4 (M: metal) üzerinde yoğunlaşmaktadır çünkü LiMn2O4 ve LiMxMn2-xO4 yüksek güç gerektiren uygulamalar için LiCoO2 katottan daha güvenli, daha ucuz ve daha çevre dostudur.Birçok nano yapılı elektrot aktif materyali kimyasal metotlarla sentezlenebilmektedir. Üretilen nano yapıların morfolojileri ve boyutları sentez parametrelerindeki değişiklere bağlı olarak farklı olmaktadır. Yapılan bu çalışmada spinel LiMn2O4 ve metal katkılı LiMxMn2-xO4 katot aktif materyallerinin, mikrodalga destekli hidrotermal sentez metodu kullanılarak nano boyutlarda elde edilmesi ve elde edilen katot aktif materyalleri ile daha yüksek kulombik etkiye, şarj tutma kabiliyetine, döngü kararlılığına ve spesifik kapasiteye sahip pillerin üretilmesi amaçlanmıştır. Üretilen katot aktif nanopartiküllerin yapısal karakterizasyonu X-ışınları difraksiyonu (XRD) ile, morfolojik karakterizasyonu taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve yüksek çözünürlüklü geçirimli elektron mikroskobu (HRTEM) ile, elektrokimyasal analizler çok fonksiyonlu elektrokimyasal çalışma istasyonu ile yapılmıştır. Elde edilen materyal tabakalı-spinel (Li2MnO3-LiMn2O4-Li1,24Mn1,76O4) kompozit yapısı olarak tanımlanmıştır. Üretilen materyalin partikül şekli oktahedraldir ve boyutu kalsinasyon sıcaklığına göre 30 nm ile 1 µm arasında değişmektedir. Bu katot aktif nanopartiküllerin 0,1 C hızda ilk deşarj kapasitesi yaklaşık 600 mAh/g ve kulombik etkinliği % 95 üzerindedir. 0,5 C hızda şarj tutma kapasitesi ve kulombik etkinliği % 95 üzerindedir.

Abstract:
Most of the active research in the field of secondary battery is currently focused on rechargeable lithium ion batteries. They have excellent performance and storage characteristics, long charge-discharge cycle life, no memory effect, environmentally friendly and are available at low cost. Lithium-ion batteries for smart grid and electric vehicles are considered as future power sources. Increasing the specific power density and current density of rechargeable lithium ion batteries has become the most interesting title in science and industry vicinities. Nowadays nanostructured electrodes containing nano scaled active materials are examined to improve the specific power density of lithium batteries. Improvements at the cathode side are also critical for the progress of lithium batteries. Enhancing at the capacity of cathode means that improvement at the performance of lithium ion battery. Recently, nanostructured lithium cathode materials had various morphologies have been studied. The new Li-ion cells are based on positive electrodes of either spinel LiMn2O4 or metal dopped LiMxMn2-xO4 (M: metal) instead of LiCoO2. This is because LiMn2O4 and LiMxMn2-xO4 offer significant safety advantages over LiCoO2 that become critical in batteries designed for high power applications.Many of nanostructured electrode active materials can be synthesized by soft chemical methods. Morphologies and sizes of the achieved nanostructures show distinction depending on the changes of synthesis parameters. It has been aimed to synthesize nanosized LiMn2O4 and metal dopped LiMxMn2-xO4 cathode active materials at low temperatures by using microwave assisted hydrothermal method in this work. Also aimed to fabricate CR2016 rechargeable lithium ion button cells which have higher columbic efficiency, capacity retention ability, cycling stability and specific capacity. Structural and morphological characterization of the synthesized cathode active nanoparticles were performed by XRD and SEM, HRTEM respectively. Electrochemical characterizations were performed by electrochemical workstation. Synthesized materials were defined as layered-spinel (Li2MnO3-LiMn2O4-Li1,24Mn1,76O4) composite cathode active materials. Particle shapes of the materials were octahedral and the sizes were between 30 nm and 1 µm subjected to calcination temperature. First discharge capacity of the material at 0,1 C rate is about 600 mAh/g and columbic efficiency is over 95 percent.