Lityum kükürt piller için polisülfür adsorbanı esnek kalıpların geliştirilmesi
Development of flexible molds as polysulfide adsorbent for lithium sulfur batteries
Yazar: CEM ADALI
Danışman: DOÇ. DR. HİLAL GÜNSEL
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Elektrokimyasal piller = Electrochemical cells ; Esnek kaplama = Flexible coating ; Katotlar = Cathodes ; Lityum-sülfür piller = Lithium-sulfur batteries ; Polisülfonlar = Polysulfones

Özet:
Teknolojinin artması ve mobilite kavramının hayatımıza daha çok girmesi ile günümüzde depolanabilir enerji büyük önem kazanmıştır. Özellikle elektrikli araçların üretilmeye başlaması ve gelişmesiyle birlikte enerji depolama teknolojisinin uzun ömürlü, güvenli, düşük maliyetli ve çevre dostu olması büyük önem taşımaktadır. 
Lityum-kükürt piller, en son teknoloji ürünü lityum-iyon pillerden 5 kat daha fazla teorik enerji yoğunluğuna sahip olması nedeniyle, özellikle büyük kapasite ve uzun pil ömrü gerektiren uygulamalar için dikkat çekmektedir. Polisülfürlerle bağlanma enerjisini daha fazla modüle etmek ve elektrotların bağlantı yoğunluğunu arttırmak için geçiş metal oksitleri, lityum polisülfürler için polar konak materyaller olarak ortaya çıkmıştır. Polar metal oksitler, doğaları gereği hidrofilik yüzeyleri üzerinde polisülfürleri adsorplar. Bununla birlikte, bu malzemeler kullanılarak üretilen kükürt katotları, polisülfür difüzyonu ve mekiği bastırmada fizisorpsiyona kıyasla daha yüksek kimyasal adsorpsiyon verimliliği göstererek önemli ölçüde geliştirilmiş uzun çevrim performansı sergilemektedir. Yüksek spesifik yüzey alanı ve hızlı iyon taşınımı nedeniyle, metal oksit nanoparçacıkları ile dekore edilmiş grafen oksit levhaların, polisülfürleri sınırlandırabildiği; yüksek enerji ve yüksek güç yoğunlukları elde etmek için deşarj sırasında hacim genişlemesini barındırabildiği ortaya konulmuştur. 
Bu çalışmada, mekik etkisine karşı metal oksitlerin polisülfür adsorplama kabiliyetinden faydalanılacaktır. Bu amaçla, polisülfür adsorbenti olarak kullanılacak geçiş metal oksitleri NiO ve CuO, indirgenmiş grafen oksit (rGO) ile birleştirilerek kükürt emdirilmiş serbest ve esnek MO-rGO/S kompozit kağıt elektrotlar hazırlanmıştır. Elde edilen kompozit kağıtlar bağlayıcı kullanılmadan Li-S pillerde katot olarak kullanılmıştır. Bu çalışma kapsamında kompozit filmlerin optik, morfolojik ve yapısal analizleri sırasıyla Fourier dönüşümlü infrared spektroskopisi (FT-IR), Raman spektroskopisi, alan emisyon tabancalı taramalı elektron mikroskopisi (FEG-SEM), enerji dağılımlı x-ışını spektroskopisi (EDS) ve x ışını kırınımı (XRD) yöntemi ile yapılmıştır. Üretilen katot materyalleri kullanılarak CR2032 düğme pil hücresinin basılmasının ardından dönüşümlü voltametri (CV), şarj-deşarj performans testleri, hız kabiliyeti ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) analizleri yapılarak Li-S pil kapasiteleri kontrol edilmiştir. Sonuç olarak, katot yapısına ilave edilen metal oksitlerin polisülfürleri adsorbe etmesinden faydalanarak rGO/S bazlı kompozit elektrotların pil kapasitesi geliştirilmiştir.

Abstract:
With the increase in technology and the introduction of the concept of mobility into our lives, storable energy has gained great importance. Especially with the production and development of electric vehicles, it is of great importance that energy storage technology is long-lasting, safe, low-cost and environmentally friendly.
Lithium-sulfur batteries are particularly noteworthy for applications requiring large capacity and long battery life, as they have a theoretical energy density of 5 times higher than state-of-the-art lithium-ion batteries. Transition metal oxides have emerged as polar host materials for lithium polysulfides to further modulate the bonding energy with polysulfides and increase the coupling density of the electrodes. Polar metal oxides naturally adsorb polysulfides on their hydrophilic surfaces. Furthermore, sulfur cathodes produced using these metal oxides exhibit significantly improved long cycle performance, showing higher chemical adsorption efficiency compared to physisorption in suppressing polysulfide diffusion and shuttle effect. It has been demonstrated that due to the high specific surface area and fast ion transport, graphene oxide sheets decorated with metal oxide nanoparticles can confine polysulfides and it can accommodate volume expansion during discharge to achieve high energy and high power densities.
In this study, the polysulfide adsorbing ability of metal oxides against the shuttle effect will be utilized. For this purpose, free-standing and flexible MO-rGO/S composite paper electrodes impregnated with sulfur were prepared by combining the transition metal oxides, NiO and CuO, which will be used as a polysulfide adsorbent, with reduced graphene oxide (rGO). The obtained composite papers were used as cathodes in Li-S batteries without using binders. In this work, optical, morphological and structural analyzes of composite films were carried out by Fourier transformed infrared spectroscopy (FT-IR), Raman spectroscopy,  field emission gun scanning electron microscopy (FEG-SEM), energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS) and x-ray diffraction (XRD) methods, respectively. After the CR2032 button cell was assembled using the produced cathode materials, cyclic voltammetry (CV), charge-discharge performance tests, rate capability and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analyzes were performed to investigate the Li-S battery capacities. As a result, the battery capacity of rGO/S-based composite electrodes has been improved by taking advantage of the metal oxides added to the cathode structure to adsorb polysulfides.