Lityum pillerde anot malzemesi olarak yüksek entropili oksitlerin kullanımı
Use of high entropy oxides as anode materials in lithium batteries
Yazar: MELTEM ÇAYIRLI
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ANIK
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Son yıllarda taşınabilir elektronik cihazlar için önemli güç kaynakları haline gelen Li-iyon pillerin gelecekte de bu konumunu koruması muhtemeldir. Ancak ticari olarak kullanılan Li-iyon piller sahip oldukları düşük kapasitelerinden (372 mA sa. g-1) dolayı sürekli artan enerji talebini karşılayamaz hale gelmiştir. Bu nedenle üstün çevrimsel özelliklere sahip, yüksek enerji yoğunluklu anotların geliştirilmesi, yeni nesil Li-iyon piller için son derece önemlidir. Çeşitli anot adayları arasında dönüşüm tipi geçiş metal oksit anotlar, gelecek vaat eden malzeme gruplarının başında gelmektedir. Son zamanlarda ise bu tip anot malzeme grubu arasında yer alan yüksek entropili oksitlerin Li-iyon pillerde kullanılması önemli gelişmelerden biri olarak kabul edilmektedir.
Bu çalışmadaki amaç; ticari Li-iyon pillerde kullanılan grafit anota alternatif olabilecek yüksek entropili oksit anot malzemelerin sentezlenmesi ve elektrokimyasal performanslarının belirlenmesidir. Bu doğrultuda rock-salt ve spinel kristal yapıya sahip yüksek entropili oksit malzemeler geleneksel katı hal yöntemi kullanılarak sentezlenmiş ve elektrokimyasal performansları incelenmiştir. Ayrıca yüksek entropili oksitlerin tasarlanmasına katkı sağlayan çeşitli parametrelerin geliştirilmesi adına teorik çalışmalar da gerçekleştirilmiştir.
Elde edilen deneysel sonuçlar ile birlikte rock-salt kristal yapısındaki elektrotlar birbirleriyle karşılaştırıldığında 20. çevrim sonunda en yüksek deşarj kapasitesine (835 mA sa. g-1) ve kulombik verimliliğe (%99,4) sahip elektrot (Mg0.2Co0.2Ni0.2Zn0.2Li0.2)O' dur. Spinel kristal yapıya sahip elektrotlar da ise 10. çevrim sonundaki en yüksek deşarj kapasitesine (2371 mA sa. g-1) sahip elektrot (Fe0.225Co0.1Ni0.225Cr0.225Mn0.225)3O4 iken 10. çevrim sonundaki en yüksek kulombik verimiliğe sahip (%97,2) elektrot (Fe0.175Co0.3Ni0.175Cr0.175Mn0.175)3O4' dur. Co miktarının artmasına bağlı olarak kulombik verimliliğin de arttığı görülmektedir.

Anahtar Kelimeler: Yüksek entropili oksitler, Dönüşüm tipi anot, Li-iyon piller

Abstract:
Li-ion batteries, which have become important power sources for portable electronic devices in recent years, are likely to maintain this position in the future. However, commercially used Li-ion batteries have become unable to meet the ever-increasing energy demand due to their low capacity (372 mA h g-1). Therefore, the development of high energy density anodes with superior cyclic properties is extremely important for new generation Li- ion batteries. Among the various anode candidates, conversion type transition metal oxide anodes are one of the most promising material groups. Recently, the use of high entropy oxides, which is among this type of anode material group, in Li-ion batteries is considered one of the important developments.
The aim of this study is to synthesize high entropy oxide anode materials, which can be an alternative to the graphite anode used in commercial Li-ion batteries, and to determine their electrochemical performance. In this direction, high entropy oxide materials with rock- salt and spinel crystal structures were synthesized using the conventional solid state method and their electrochemical performances were investigated. In addition, theoretical studies have been carried out in order to develop various parameters that contribute to the design of high entropy oxides.
With the experimental results obtained, when the electrodes in rock-salt crystal structure are compared with each other, the electrode with the highest discharge capacity (835 mA h g-1) and coulombic efficiency (99.4%) at the end of the 20th cycle (Mg0.2Co0.2Ni0.2Zn0.2Li0.2)O. In electrodes with spinel crystal structure, while the electrode with the highest discharge capacity (2371 mA h g-1) at the end of the 10th cycle (Fe0.225Co0.1Ni0.225Cr0.225Mn0.225)3O4 at the end of the 10th cycle, it has the highest coulombic efficiency ( 97.2%) is the electrode (Fe0.175Co0.3Ni0.175Cr0.175Mn0.175)3O4. It is seen that the coulombic efficiency increases with the increase in the amount of Co.

Keywords: High entropy oxides, Conversion type anode, Li-ion batteries