Lityum iyon pilleri için nanoyapılı ve yüksek kapasiteli katot malzemelerinin aerosol tekniği ile üretimi
Production of nanostructured and high capacity cathode materials for lithium ion batteries by aerosol process
Yazar: BURÇAK EBİN
Danışman: PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Enerji = Energy ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Batarya = Battery ; Elektrokimyasal piller = Electrochemical cells ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Sprey piroliz yöntemi = Spray pyrolysis method

Özet:
Bu çalışmada, LiMn2O4 katot partikülleri, demir (Fe), bakır (Cu) ve bor (B) katkılı LiMxMn2-xO4 katot partikülleri ve demir (Fe), bakır (Cu), bor (B), nikel (Ni) ve magnezyum (Mg) iki katkılı LiMxNyMn2-x-yO4 (M ve N = katkı elementleri) katot partikülleri aeorosol tekniği ile üretilmiş ve Li-iyon pillerinde katot olarak kullanım performansları incelenmiştir. Katot partiküllerinin kristal yapısı, kristal boyutları, kimyasal kompozisyonu, partikül boyut ve morfolojisi X-ışınları difraksiyonu, atomik absorbsiyon spektroskopisi, enerji dağılım spektroskopisi ve elektron mikroskobu çalışmaları ile belirlenirken, elekrokimyasal özellikler voltametrik ve galvanostatik teknikler ile ölçülmüştür. Sonuçlar, 100 nm boyutlarının altında kristallerden oluşan katot partiküllerinin spinel iyonik düzenlenme sergilediğini vurgulamaktadır. Aerosol tekniği ile üretilmiş katot malzemeleri, nanoboyutlu birincil partiküllerin agregasyonu ile oluşan mikronaltı boyutlara sahip, küresel morfolojili ve boşluklu yapı sergileyen partiküllerdir. Üretilmiş katotların elektrokimyasal özellikleri spinel LiMn2O4 yapısında mangan ile değiştirilen katkı elementi ve miktarları ile değişim göstermektedir. Katkılama işlemiyle spinel katot partiküllerinin kapasiteleri ve şarj-deşarj hız kabiliyetlerinin geliştirilmesinin yanı sıra, spinel katot partiküllerinin yapısal kararlılığın arttırılması sonucu çevrim performansları da iyileştirilmiştir. Gerçekleştirilen kapsamlı deneysel çalışmalarla aerosol tekniği kullanılarak istenilen kimyasal içeriklerde nanoyapılı katot partikülleri başarıyla üretilmiş olup, spinel LiMn2O4 yapısından daha iyi elektrokimyasal performans sergileyen ve Li-iyon pillerinde yeni nesil katot malzemesi olarak kullanılabilecek, yüksek kapasite ve çevrim performansına sahip nanoyapılı katot partikülleri geliştirilmiştir.

Abstract:
In this study, productions of LiMn2O4 cathode particles, Fe, Cu and B mono-doped LiMxMn2-xO4 cathode particles and Fe, Cu, B, Ni and Mg bi-doped LiMxNyMn2-x-yO4 (M and N substituted elements) cathode particles by aerosol process and their performances as a cathode material in Li-ion batteries were investigated. Crystal structures, crystallite sizes, chemical compositions, particle sizes and morphologies of cathode particles were determined by X-ray diffraction, atomic absorption spectroscopy, energy dispersive spectroscopy and electron microscopy methods. Also, voltammetric and galvanostatic techniques were used to measure the electrochemical properties of cathode particles. Results indicate that cathode particles produced by aerosol process exhibit spinel ionic orientation, and their crystallite sizes are below 100 nm. Cathode particles, which have spherical morphology and porous structure in submicron size range, were formed by the aggregation of primary nanoparticles. Electrochemical properties of cathode particles vary by substituted elements with manganese in spinel LiMn2O4 structure and doping amounts. Substitution of spinel structure improved not only capacity and charge-discharge rate capability, but also cycling performance due to the increasing structural stability. Detailed experimental studies revealed that cathode particles in desired chemical composition were successfully produced by aerosol process. Nanostructured spinel LiMxMn2-xO4 (Fe, Cu and B) based cathode particles show higher capacity and cycle life than spinel LiMn2O4, were developed as a new generation cathode material for Li-ion batteries.