Nano kristalin kalay ve kalay esaslı alaşımların sentezi ve sodyum iyon pil uygulamaları
Production of nanocrystalline tin and tin based alloys and na-ion battery applications
Yazar: MUSTAFA MAHMUT SİNGİL
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MEHMET OĞUZ GÜLER
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Li-iyon piller sahip oldukları yüksek enerji yoğunluklarından ötürü son 25 yılda şarj edilebilir pil pazarını önemli ölçüde ele geçirmiştir. Bunun yanı sıra günümüzdeki Li-iyon pil uygulamaları yönünü elektrikli araçlara doğru çevirmiştir. Ancak, dünyadaki lityum kaynaklarının sınırlı olması ve lityum esaslı kimyasalların fiyatlarındaki artışlar yakın gelecekte pil pazarının önünü önemli ölçüde tıkayacaktır. Bu nedenlerden ötürü, Na-iyon piller gibi alternatif enerji depolama kaynaklarına olan ilgi giderek artmaktadır. Lityum ile sodyum metalleri alkali grubuna aittir ve benzeri kimyasal özelliklere sahiptirler.

Bu tez çalışmasında, kalay esaslı anot elektrotları bu tür piller için detaylı olarak çalışılmıştır. Kalay ve nikel-kalay nano kristalin anot elektrotlarının sentezlenmesinde kimyasal indirgenme yöntemi kullanılmıştır. Kalay ve kalay esaslı anot elektrotlarının yüksek teorik kapasitelere sahip olmalarına karşılık sodyumlama/desodyumlama işlemleri boyunca meydana gelen yüksek hacimsel genleşmeler elektrokimysal performanslarını önemli ölçüde düşürmektedir. Grafenin yüksek yüzey alanı ve yüksek elektriksel iletkenliğe sahip olmasından ötürü kalay/grafen ve nikel-kalay/grafen nano kompozit anaotların doğru mimarilerinde sentezlenmesi ile sodyum iyon pillerde bu anot elektrotlarının elektrokimyasal özellikleri önemli ölçüde geliştirilecektir. Bu çalışmada karbon kaplı kalay ve nikel-kalay esaslı anot elektrotları grafen ile takviye edilerek kararlı bir mekanik desteğin ve hızlı elektron iletiminin elektrokimyasal özellikleri önemli ölçüde geliştirdiği görülmüştür. Elde edilmiş olan anot elektrotları X-ışınları difraksiyonu (XRD) ve alan emisyonlu taramalı electron mikroskobu ile analiz edilmiştir. Nihai olarak söz konusu elektrotlar galvanostik çevrim ve elektrokimyasal empedans testleri (EIS) ile karakterize edilmiştir

Abstract:
Li-ion batteries have significantly dominated the rechargeable battery market due to their superior energy density for the past 25 years. Recent trends on Li-ion batteries is now moving towards to the electrical vehicles. Nevertheless, due to the limited lithium reserves and increasing lithium based chemicals will soon block the battery market. Therefore, there is an increasing interest on potential alternatives for energy storage such as Na-ion batteries. It is well known that both lithium and sodium are alkali metals and have similar chemical properties. However, large ionic radius with slower ionic diffusion rates faces many challenges on Na-ion battery researches. 

In this thesis study, tin based novel electrode materials as an anode electrode for this type of batteries are investigated in detail. A facile chemical reduction method is developed for nanocrystalline tin and nickel-tin intermetallic structures. Although tin and tin based intermetallic nano structures as an anode active materials have a high theoretical capacity, the large volume change during sodiation/desodiation and low intrinsic conductivity hamper its electrochemical performance. Since graphene has large surface area, high electrical conductivity and discharge capacity, tin/graphene, nickel-tin/graphene nanocomposite anodes in proper architectures alleviate difficulties to improve electrochemical performances of the sodium ion batteries. Here we report a well-designed sodium ion battery anode in which carbon-coated tin and nickel-tin nanoparticles which are stable mechanical support and rapid electron conduction. Furthermore, we improved the integral stability of the electrode through introducing amorphous carbon. The as-synthesized active materials obtained were examined by X-Ray Diffraction analysis and field emission electron microscopy analysis in order to evaluate the morphological structures. The anode electrodes were also studied by Galvanostatic Cycling and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)