Heteroatom ile katkılanmış grafen temelli elektrotların üretilmesi ve lityum iyon pillerde anot  performanslarının incelenmesi
Production of heteroatom-doped graphen based electrodes and investigation of the anode performance in lithium-ion batteries
Yazar: ZEHRA KURU
Danışman: DOÇ. DR. EDİP BAYRAM
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Gün geçtikçe artan enerji ihtiyacı, hareketlilik ve buna bağlı olarak artan çevresel sorunlar, enerjinin verimli kullanılması gerekliliğini ortaya çıkarmış ve şarj edilebilir pil ve bataryalara olan talebin hızla artmasına neden olmuştur. Li-iyon piller yüksek kapasite ve döngü ömürleri nedeniyle şarj edilebilir piller arasında en çok tercih edilen pillerdir. Grafen, sahip olduğu sıra dışı özellikleri ile elektrokimyasal enerji depolama cihazlarında elektroaktif madde olarak umut vadetmektedir.   
Bu çalışma kapsamında, solvotermal yöntemle azot katkılanmış grafen (N-GN) ve silisyum-azot katkılanmış grafen (Si-N-GN) sentezlenmiş ve Li-iyon pillerde anot performansları test edilmiştir. Ürünlerin morfolojik yapıları enerji dağılımlı taramalı elektron mikroskobu (SEM-EDX) ve N2 adsorpsiyonu yöntemi ile kristal yapıları X-ışını kırınımı (XRD) ve Raman spektrometresi ile elementel bileşimi ve elementlerin bağlanma konfigürasyonları ise X-ışınları fotoelektron spektrometresi (XPS) ile karakterize edilmiştir. Buna göre, N-GN'nin sık istiflenmiş grafen tabakalarının birbirine bağlandığı, dairesel şekilli düzenli mikro- ve mezo-gözneklerden oluştuğu, Si-N-GN'nin ise dağınık halde çoklu grafen plakalarından oluşan bir yapıya sahip olduğu görülmüştür. N-GN ve Si-N-GN için spesifik yüzey alanları (SBET) sırasıyla 1350 m2/g ve 680 m2/g olarak hesaplanmıştır. XPS sonuçlarına göre N-GN'nin %5,4 (at.) oranında N, Si-N-GN'nin ise %2,5 (at.) N ve %5,5 (at.) Si içerdiği bulunmuştur. Ürünlerin Li-iyon pillerde anot olarak kullanılabilirliği çalışmaları kapsamında uygun kaplama yöntemi ve ayırıcının belirlenmesi ve elektrolitin geliştirilmesi çalışmaları yapılmıştır. Belirlenen optimum parametre ve hücre bileşenlerinde N-GN için 980 mAh/g, Si-N-GN için ise 815 mAh/g gibi grafenin teorik değerinin üstünde anot deşarj kapasitelerine ulaşılmıştır.

Abstract:
The increasing need for energy and mobility, resulted several environmental problems, have revealed the need for efficient use of energy and caused the demand for rechargeable batteries with an rapid increasing manner. Li-ion batteries are the most preferred batteries among rechargeable batteries due to their high capacity and cycle life. Graphene is promising as an electroactive material in electrochemical energy storage devices due to its extraordinary properties.
In this study, nitrogen-doped graphene (N-GN) and silicon-nitrogen-doped graphene (Si-N-GN) were synthesized by a solvothermal method and their anode performances were tested in Li-ion batteries. The morphological structures of the products were characterized by energy dispersive scanning electron microscopy (SEM-EDX) and N2 adsorption method, crystal structures by X-ray diffraction (XRD) and Raman spectrometry, and the elemental composition and bonding configurations of the elements were characterized by X-ray photoelectron spectrometry (XPS). Accordingly, it has been observed that N-GN consists of circular-shaped regular micro- and meso pores in which dense stacked graphene layers are interconnected, while Si-N-GN has a structure consisting of multiple graphene plates in dispersed form. Specific surface areas (SBET) for N-GN and Si-N-GN were calculated as 1350 m2/g and 680 m2/g, respectively. According to the XPS results, it was determined that N-GN contains 5.4% (at.) N, Si-N-GN contains 2.5% (at.) N and 5.5% (at.) Si. Within the scope of the studies for the usability of the products as anode in Li-ion batteries, the development of the coating method and the electrolyte and the determination of the appropriate separator were carried out. In the determined optimum parameter and cell components, anode discharge capacities of 980 mAh/g for N-GN and 815 mAh/g for Si-N-GN were reached in which above the theoretical value of graphene.