Olivin bazlı şarj edilebilir pillerin üretimi ve elektrokimyasal performanslarının geliştirilmesi
Production of olivin based chargeable batteries and improvement of electrochemical performance
Yazar: ABDURRAHMAN YOLUN
Danışman: PROF. SERDAR ALTIN
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu doktora tezinde elektriksel aygıtlarda kullanılmak amacıyla lityum ve sodyum bazlı katot malzemeleri üretildi. Üretimi yapılan katot malzemeleri için katıhal reaksiyon yöntemi kullanıldı. Saf LiFePO4 ve NaFePO4 katot malzemeleri üretildi ve daha sonra Rutenyum (Ru) ve Holmiyum (Ho) elementi katkılaması yapıldı. LiFe1-xRuxPO4 katot malzemesi için (x=0, 0.01, 0.03, 0.05, 0.07, 0.09, 0.12) oranları kullanıldı. LiFe1-xHoxPO4, NaFe1-xRuxPO4 ve NaFe1-xHoxPO4 katot malzemeleri için (x= 0, 0.01, 0.03, 0.05, 0.07) oranları kullanıldı. Sentezlenen katot malzemeleri için % 99 saflıkta Li2CO3, FeC2O4.2H2O, NH4H2PO4, Na2O2, RuO2 ve Ho2O3 metal tozlarına %10 glikoz (C6H12O6)  katılarak homojen olarak karıştırılması sağlandı. Bu karışımın daha iyi çözülmesi için 3 gr olarak üretilen malzemede her bilyalı öğütme işlemi sırasında 2-3 ml aseton ilave edildi. Daha sonra kütlece 1/4 oranında çelik bilyeler ilave edilerek 350 rpm hızında 5 saat homojen olarak karıştırıldı ve ardından 60 0C 'de 1 gün etüvde kurutulması sağlandı. Katot malzemeleri için 350 0C 'de 10 saat dakikada 5 0C ısıtma ve soğutma hızında % 7 saflıkta H2/Ar gazı ortamında kuvars tüpünde birinci ısıl işlem yapıldı. Bu işlemin ardından tekrar 2-3 ml aseton ilave edilerek 500 rpm hızında 5 saat tekrar bilyalı öğütme işlemi yapıldı. Daha sonra son ısıl işlem 650 0C sıcaklıkta 12 saat dakikada 5 0C ısıtma ve soğutma hızı uygulanarak üretim tamamlandı. Üretimi yapılan bu katot malzemelerinin fiziksel karakterizasyonu ve bu katot malzemelerinin CR2032 jeton pil haline getirilerek elektrokimyasal özellikleri incelenmiştir. Ru ve Ho katkılı LiFe1-xMxPO4 ve NaFe1-xMxPO4 (M=Ru, Ho) katot malzemelerinin XRD analizlerinde safsızlık fazları oluşmamıştır. Katot malzemelerinin Ru ve Ho katkılama miktarına bağlı olarak etkin manyetik momentleri artmıştır. Katot malzemelerinden üretilen jeton pillerin şarj edilebilir oldukları CV analizlerinden anlaşılmıştır. Li-iyon pillerde x=0.07 oranı için 147.58 mAh/g kapasite değeri elde edilmiştir. Pillerin 100 döngü sonunda kapasite değerlerinin kararlı olduğu anlaşılmıştır. Na-iyon pillerde yapılan Ru ve Ho katkılama ile birlikte kapaside değerleri azalmıştır. Ru katkılı Li-iyon pillerde elde edilen başarı sonucunda bu pillerin ticari olarak kullanılması için büyük ümit vaat etmektedir.

Abstract:
In this doctoral thesis, lithium and sodium based cathode materials were produced for using in electrical devices. Solid state reaction was used for the production of cathode materials made. Pure LiFePO4 and NaFePO4 cathode materials were produced and then Ruthenium (Ru) and Holmium (Ho) element doped were made. For LiFe1-xRux PO4 cathode materials (x=0, 0.01, 0.03, 0.05, 0.07, 0.09, 0.12) rations were used. For LiFe1-xHoxPO4, NaFe1-xRuxPO4 and NaFe1-xHoxPO4 cathode materials (x=0, 0.01, 0.03, 0.05, 0.07) rations were used. For the synthesized this cathode materials, 99% purity Li2CO3, FeC2O4.2H2O, NH4H2PO4, Na2O2, RuO2 ve Ho2O3 were mixed by adding 10% glucose (C6H12O6) to metal powders and homogeneously mixed. In order to dissolve this mixture better, 2-3 ml acetone was added during each ball milling process in 3 gr of the production material. Then, by adding 1/4 steel balls by mass, ball milling was performed at 350 rpm at speed for 5 hours and then dried in the oven at 60 0C for 1 day. For this materials to be used as cathode material, the first heat treatment was performed in quartz tube at 350 0C for 10 hours by applying a temperature increase of 5 0C per minute in 7% H2/Ar gas using the solid state reaction method. After this process, 2-3 ml acetone was added again and ball milling process was performed again at 500 rpm for 5 hours. Then, the production was completed by applying the final heat treatment at 650 0C for 12 hours by applying a temperature increase of 5 0C per minute. The physical characterization of these produced cathode materials and their electrochemical properties by turning them into CR2032 coin batteries were examined. Impurity phases were not formed in XRD analysis of Ru and Ho doped LiFe1-xMxPO4 and NaFe1-xMxPO4 (M = Ru, Ho) cathode materials. The effective magnetic moments of the cathode materials increased depending on the amount of Ru and Ho doping. It was understood from CV analysis that coin batteries produced from cathode materials are rechargeable. In Li-ion batteries, a capacity value of 147.58 mAh/g was obtained for a ratio of x = 0.07. It has been found that the capacity values of the batteries are stable at the end of 100th cycles. With the Ru and Ho doping made in Na-ion batteries, their capacity values decreased. The results obtained from Ru doped Li-ion batteries hold great promise for commercial use of these batteries.