Sn esaslı anotların elektrokimyasal yöntemlerle üretilmesi ve lityum iyon bataryalarda kullanımlarının değerlendirilmesi
Production of sn based anodes via electrochemical method and their evaluation of usage of Sn based anodes in lithium ion batteries
Yazar: BURÇİN BİLİCİ
Danışman: DOÇ. DR. ÖZGÜL KELEŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Enerji = Energy ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Çağımızda değişen yaşam anlayışı ile beraber çevreye duyarlı, yüksek enerji yoğunluğuna sahip, hafif, uzun ömürlü, kısa sürede şarj edilebilen enerji depolama kaynaklarına ihtiyaç artmaktadır. Bu ihtiyacı karşılamak amacıyla tasarlanmış enerji depolama sistemleri içerisinde yeralan bataryalar elektrikli araçlar, sağlık, askeri vb. alanlarda yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. 
Bataryalar elektrik enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürerek, gerektiğinde kimyasal enerjiyi tekrar elektrik enerjisine çevirebilen akım toplarlar olarak adlandırılmaktadır. Tekrar şarj edilebilen ikincil bataryalar son yıllarda pekçok alanda tercih edilmektedirler. İkincil bataryaların başlıcaları gümüş-çinko, nikel-çinko, nikel-hidrojen, nikel kadmiyum, nikel metalhidrid ve lityum iyon pillerdir. Lityum iyon piller uzun ömre, geniş çalışma sıcaklık aralığına, çabuk şarj olabilme kabiliyetine, düşük hafıza etkisine ve yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmaları nedeni ile alternatifleri arasından sıyrılmaktadırlar. 
Lityum iyon piller; anot, katot, seperatör ve elektrolit olmak üzere temel olarak 4 ana bileşenden oluşmaktadır. Araştırma, geliştirme faaliyetleri pil kapasitesine doğrudan etki eden bileşenler olarak değerlendirilebilecek anotlar ve katotlar üzerine yoğunlaşmıştır. 
Lityum iyon pillerde ilk anot malzemesi olarak lityum metali kullanılmıştır. Ancak lityum metalinin hava ve su ile teması durumunda yanıcı özelliğe sahip olması, bu metalin anot olarak kullanımını kısıtlamıştır.
İlk ticari anot olarak doğada bol ve ucuz olan grafit kullanılmıştır. Teknolojinin ilerlemesi ile beraber 372 mAsa/g teorik deşarj kapasitesine sahip grafitin depolama kapasitesi yetersiz kalmıştır. Buna bağlamda; Li+ ile alaşım oluşturabilen ve teorik kapasitesi grafitten yüksek, yeni metalik bazlı (LixM) anot malzeme arayışına girilmiştir.
Yeni nesil anot malzemelerinin başlıcaları kalay (Sn), alüminyum (Al), antimon (Sb), silisyum (Si), magnezyum (Mg) olarak söylenebilmektedir. Bu malzemeler arasından Sn; 993 mAsa/g değerinde yüksek teorik deşarj kapasitesine sahip olması, doğada bol bulunuyor olması, yüksek Li+ taşımakapasitesi ( birim Sn atomu başına 4.4 Li+ ) nedeniyle ön plana çıkmaktadır.  
Sn esaslı anotlar, sahip oldukları bu avantajlarının yanı sıra lityum iyon pil uygulamalarında çeşitli dezavantajlara da sahiptirler. Buna göre; Sn esaslı anotların 1.deşarjından sonra yapıya giren lityum iyonları nedeni ile %260 mertebelerinde hacim değişimi yaşanmakta ve bu ise Sn elektrodun altlıktan soyulmasına ve kalkmasına neden olmaktadır. Öte yandan Sn'ın 9,17×106 Sm-1mertebesinde sahip olduğu düşük elektrik iletkenliği (C elektrik iletkenliği: 1,00×108Sm-1) lityumla alaşımlama reaksiyonları sırasında elektron alış verişininetkin bir şekilde gerçekleşmesi için yeterli olamamakta ve buna bağlı olarak düşük kapasite eldesine neden olmaktadır. Ayrıca Sn'ın düşük Li+ difüzyon katsayısına (10-16-10-13cm2s-1) sahip olması nedeni ile lityumun yapıya giriş çıkışı yavaş olmaktadır.Bu durum ise pilden yeterli verimin alınamayarak Kulombikverimliliğin düşmesine neden olmaktadır. Son olarak oda sıcaklığında Sn esaslı malzemelerin tane sınır difüzyonu hacimsel difüzyonundan daha yüksek olduğu için, tane sınırlarında gereğinden fazla büyüyen Sn partikülleri  sütunsal yapıları (whisker) oluşturmaktadır. Oluşan bu yapılar elektron geçişleri için engel teşkil ederek reaksiyon verimini azaltmaktadır. 
Sn esaslı anot malzemelerinde yaşanan bu problemleri çözmek adına çeşitli yaklaşımlar benimsenmiştir. Bu yaklaşımlar temel olarak kompozisyonel ve morfolojik olarak iki ana başlık altında toplanmaktadır. Kompozisyonel yaklaşımlarda temel olarak yapı içerisine bir başka metal ilavesi yapılarak, elektrodun elektrik iletkenliğinin arttırılması amaçlanmıştır. Aynı zamanda yapılan bu metal ilavesi ile yapı içerisinde intermetalik fazlar oluşturularak, bu fazların Sn'ın hacimsel genleşme problemi karşısında tamponlama etkisi yapması beklenmiştir. Bu amaçla yapıya ilave edilen metallerin başında Ni, Cu, Ag, Co ve Fe gelmektedir. Bir diğer çözüm yöntemi olan morfoloji üzerine yapılan iyileştirmelerde ise; elektrot malzemesinin tane boyutu küçültülmekte veya porlu yapı eldesi yapılmaktadır. Bu iki morfolojik yaklaşımın amacı; yapı içerisinde daha fazla boşluklu alan meydana getirerek hacisel genleşmeler için yeterli alanı sağlamak ve Li+ giriş çıkışlarının daha rahat olabilmesine yardımcı olmaktır. 
Bu çalışmada, tek katmanlı Sn filmi üretilip, ardından Sn esaslı anot malzemelerinde yaşanan problemleri çözmek adına M/Sn/M, M/MSn/M ve porlu yapıda M/MSn/M çok katmanlı filmler üretilecektir (M: Cu, Ni). Sn bazlı anot yapısında Cu ve Ni'nin kullanılmasının sebebi, lityuma karşı inaktif davranış sergilemeleri ve yüksek elektrik iletkenliğine sahip olmalarıdır. Üç katmanlı M/Sn/M anot yapısında; alt katman yapısı ile Sn'ın altlığa daha çok yapışması ve elektrodun elektrik iletkenliğinin arttırılması amaçlanmıştır. Üst katman ile çevrim sırasında oluşan hacimsel genleşmelere karşı mekanik toleransın sağlanması hedeflenmiştir. M/MSn/M yapısında orta katmanda metal ilavesi ile Sn'ın elektrik iletkenliği arttırılarak yapıda gerçekleşen reaksiyonların daha verimli gerçekleşmesi amaçlanmıştır. Porlu yapıda M/MSn/M yapısı ile yapıda yeterli boş alanın sağlanması ile çevrim sırasında oluşan hacimsel genleşmenin zararlı etkilerinin önüne geçilmek istenmiştir.
Numuneler elektrokimyasal kaplama yöntemi ile üretilmiştir. Elektrokimyasal kaplama yöntemi düşük sıcaklıklarda bile hızlı üretimin gerçekleştirilebilmesi, üretimin ucuz olması ve kolay uygulanabilir olması nedeni ile seçilmiştir. Porlu yapıda anot üretimi için kimyasal aşındırma tekniği kullanılmıştır. Ayrıca ısıl işlemin elektrokimyasal performans üzerine etkisini gözlemlemek amacı ile; CuSn ve NiSn bazlı numuneler sırasıyla 200ºC' de ve 215ºC'de 24 saat bekletilmiştir.
Üretilen numunelerin test öncesi ve test sonrası yüzey görüntüleri, XRD analizleri, 50 çevrim kapasite-çevrim eğrileri, 3 çevrim çevrimsel voltametreleri ve Nyquist eğrileri alınmıştır. 
Sonuçlar incelendiğinde; tek katmanlı Sn filmi 2.çevrim sonrasında 40mAsa/g kapasite değerlerine ani bir düşüş gerçekleştirerek bozulduğu gözlenmiştir. Öte yandan CuSnbazlı anotlarda 50 çevrim sonunda en iyi elektrokimyasal performans 395mAsa/g deşarj kapasitesi ileısıl işlem uygulanmış porlu yapıda Cu/CuSn/Cu filminden sağlanmıştır. NiSn bazlı anot filmlerinde ise en iyi elektrokimyasal performans 445 mAsa/g deşarj kapasitesi ile ısıl işlem uygulanmış porlu yapıda Ni/NiSn/Ni filmi ile elde edilmiştir. 
Çok katmanlı yapıile hacimsel genleşmenin bastırıldığı,Sn bazlı filmlerin altlığa yapışma kabiliyetinin ve elektrik iletkenliğinin arttığı; boşluklu yapı ile hacimsel genleşmenin zararlı etkilerinin giderildiği; ısıl işlem ile yapıda oluşan intermetaliklerin hacimsel genleşmeye karşı tamponlama etkisi yaptığı görülmüştür.Buna bağlı olarak çok katmanlı porlu yapı ve ısıl işlemin kapasite korunumu ve yüksek kapasite eldesinde iyileştirme sağladığı saptanmıştır.

Abstract:
In today, there is a need for environmentally sensitive energy storage with a high energy density, lightweight, long life and short-term rechareability. With these features in today's standarts, batteries have started to be widely used in electric vehicles, health, military areas. 
Batteries are called current collectors, which convert electrical energy into chemical energy and, if necessasy, convert chemical energy back to electrical energy. Secondary batteries are often prefered in recent years due to their ability to be recharged. 
These batteries are mainly silver-zinc, nickel-zinc, nickel-hydrogen, nickel-cadmium, nickel-metal hydride and lithium ion batteries. 
Lithium ion batteries are distinguished among the alternatives by their long life, their wide operating temperature range, their ability to charge quickly, their low memory effect and their high energy density.
Lithium ion batteries contains anode, cathode, seperator and electrolyte. However, since an anode and cathode primarily effect battery capacity, studies have focused on anode and cathode.
Lithium metal is used as the first anode material in lithium ion batteries. However, the fact that lithium metal has a flammable property in the case of air and water contact limits the use of this metal as an anode.
Graphite is first commercial anode because it is abundant and cheaper in natüre. With the progress of the technology, the storage capacity of graphite with a theoretical discharge capacity of 372 mAh/g is insufficient.
In this contex; scientists search a new metal-based (LixM) anode material, which is capable of forming an alloy with Li+ and has a theoretical capacity higher than graphite.
The main anode materials of new generation can be said as Sn, Al, Sb, Si, Mg. Among these materials, Sn is predominant among others due to its high discharge capacity. (4.4Li+ per unit Sn atom).
However; Sn-based anodes have various disadvantages lithium ion battery applications as well as these advantages. According to this; due to the lithium ions entering the structure after the 1 st discharge of the Sn-based anodes, the volüme change of 260% occurs in structure. 
Accordingly, the tin electrode peels and removes from substrate. On the other hand, electron exchange can not be take place efficiently during the alloying reactions due to low electrical conductivity of Sn (9.17 × 106 Sm-1), resulting in low capacity( electrical conductivity of C=1,00×108 Sm-1). 
Furthermore, due to the fact that Sn has a low Li+ diffusion coefficient (10-16-10-13cm2s-1), the input and output of lithium to the structure is slow. This leads to a decrease in the Culombic efficiency. Finally, since the grain boundary diffusion of Sn-based materials at room temperature is higher than the volumetric diffusion, the excess Sn particles in the grain boundaries form a whisker. These formations constitute an obstacle for electron transitions and reduce reaction efficiency.
Various approaches have been adopted to solve these problems in Sn based anode materials. 
These approachs are mainly composed of two main headings: compositional and morphologically.
In compositional approaches, it is mainly aimed at increasing the electrical conductivity of the electrode by adding another metal into the structure. At the same time, this metal addition is expect to form intermetallic phases in the structure, and these phases are expected to cause buffering effect in the face of volumetric expansion problem of Sn. For this purpose; Ni, Cu, Ag, Co and Fe are at the beginning of the metals added to the structure. 
In the other improvements made on morphology; the grain size of electrode material is reduced or the porous structure is made in the structure. The purpose of these morphological approaches is; to provide more void space for volume expansion in the struture and to make Li+ input output more confortable.
In this study; Sn, M/Sn/M and porous M/MSn/M multilayered films will be produced in order to solve problem experienced in Sn-based anode materials (M: Cu, Ni). The reason for using Cu and Ni in the Sn-based anode structure is that they have inactive behavior exhibits against lithium and high electrical conductivity. 
In three layer M/Sn/M anode structure; it is aimed to increase adhesion of Sn to the substrate and increases electrical conductivity of the electrode with the bottom layer. It is intended to provide mechanical tolerance against volumetric expansion during cycling with the upper layer. 
In the M/MSn/M structure, it is aimed to increase the electrical conductivity of Sn by metal addition in the middle layer and to make reaction more efficient.  It is desired to avoid the harmful effects of volumetric expansion during the cycle by providing sufficient free space in the structure with porous M/MSn/M structure.
The samples were produced by electrochemical coating method. The electrochemical coating method has been chosen because it supllies rapid production even at low temperatures, production is cheap and easy to apply. 
Chemical dealloying technique is used for porous anode production. In addition, with the aim of observing the effect of heat treatment on electrochemical performance; heat treatments were applied to CuSn and NiSn based specimens at 200ºC and 215ºC for 24 hours, respectively.
The pre-test and post-test surface SEM images, XRD analyzes, 50 cycle capacity-cycle curves, 3 cycle cyclic voltameters and Nyquist curves of the samples were taken.
At the conclusion of the results; the single-layer Sn film failed after the 2cycle with a sudden drop to 40 mAsa /g capacity values. On the other hand, the best electrochemical performance in CuSn based anodes was obtained from the porous-annealed Cu/CuSn/Cu film with a discharge capacity of 395mAh/g after 50 cycles. 
For NiSn based anode films, the best electrochemical performance was obtained with the porous-annealed Ni/NiSn/Ni film with discharge capacity of 445 mAsa/g after 50 cycles.
As a result; the multi-layer structure suppresses the volumetric expansion, enhances the ability of the Sn-based films to adhere to the substrate and the electrical conductivity. The deleterious effects of the volumetric expansion are eliminated with the porous structure. Intermetallics formed by heat treatment in the structure have a buffering effect against the volumetric expansion. Accordingly, it has been found that the multi-layered porous structure and heat treatment provide capacity maintenance and improvement at capacity.