Lityum iyon piller için kesikli akım yöntemi ile kalay esaslı kompozit anotların geliştirilmesi
Developing of sn-based anode materials for li ion batteries by pulse electrodeposition
Yazar: MEHMET UYSAL
Danışman: PROF. DR. AHMET ALP
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Enerji = Energy ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Lityum iyon pilleri uzun kullanım ve raf ömrü, geniş kullanım sıcaklık aralığı, hızlı şarj edilebilirlik, yüksek enerji verimliliği gibi özellikleriyle son zamanlarda öne çıkan güç kaynaklarındandır. Nano teknoloji bağlamında son yıllarda Li iyon pilleri taşınabilir elektronik cihazlar için yeniden şarj olabilir piller olarak ana güç kaynakları olmaya başlamışlardır. Li iyon pilleri için anot malzemesi olarak grafit, ticari olarak yaygın kullanılan malzeme olmasına rağmen, grafitin kapasite değerleri ve hız kabiliyeti günümüz enerji ve güç yoğunluğu taleplerini karşılayamamaktadır. Grafite alternatif olarak kalay esaslı elektrot malzemeleri yüksek kapasite değerlerinden dolayı ilgi çekicidir. Ancak şarj/deşarj esnasında kalay esaslı elektrot malzemesinin karşılaştığı en büyük problem hacim genleşmesidir. Bu problemi aşmaya yönelik olarak aktif veya inaktif malzeme ile birleştirilerek değiştirilebilir. 

Bu doktora tez çalışmasında Sn/ÇDKNT ve Sn-Ni/ÇDKNT kompozit elektrotlar  bakır altlıklar  üzerine pulse elektrolitik kaplama yöntemi ile biriktirilmiştir.  Pik akım yoğunluğu, iş çevrimi, karbon nanotüp konsantrasyonu, kaplama süresi ve Sn:Ni molar oranı gibi pulse parametrelerin pil performansına olan etkileri incelenmiştir. Pillerin elektrokimyasal testleri CR2016 türü piller üretilerek yapılmıştır. Üretilen kompozit malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri çeşitli analiz yöntemleri ile incelenmiştir. Yapılan incelemeler sonucunda en iyi sonuçlar , 60 mAcm-2 pik akım yoğunluğunda, Sn:Ni:1.5 molar oranında,  5 g/L ÇDKNT konsantrasyonunda, % 75 iş çevriminde ve  3 dakika  kaplama süresinde.üretilen kaplamalarda elde edilmiştir.

Anahtar kelimeler: Lityum iyon pil, kalay-nikel alaşımı, kompozit kaplama, pulse elektrolitik kaplama,

Abstract:
Li-ion batteries are the most studied power sources because of the properties of long cycle and shelf life, broad temperature range of operation, rapid charge capability and high coulombic and energy efficiency. In nano technology connection, in recent years, lithium-ion batteries are becoming the main power sources of rechargeable batteries for portable electronics. Although graphite is available commercially as an anode material for Li-ion batteries, capacity and rate capability of graphite cannot meet with the demands of today's energy and power density.  Recently, there has been tremendous interest and effort to the synthesis of tin-based compounds as alternatives to graphite materials, with the aim of improving the capacity and energy density of lithium ion batteries. However, a large specific volume changing occurs during Li insertion and extraction reactions, which causes the electrode to fail by pulverization. Therefore, the main issue on the improvement of the Sn cycle performance is how to overcome the volume change and prevent the pulverization of particles. The nickel and MWCNTs were combined to improve the cycling stability of tin electrodes. 

Nanocrystalline Sn-Ni/MWCNT composite was prepared by ultrasonic-pulse electrodeposition on a copper substrate in a pyrophosphate bath. This study attempts to investigate the effects of pulse parameter such as MWCNT concentrations , duty cycle peak current density, electrodeposition time, Sn:Ni molar rate MWCNTs concentrations on the cyclic properties of pulse electrodeposited composite anodes. The materials were assembled as CR2016 button type Li-ion cell as negative electrode and electrochemical tests were performed. Physical and chemical properties of produced materials were investigated with various analysis methods. The results showed that best of the cycling performance of the composite electrodes was detected at composite electrodes prepared by pulse electrodeposition at  MWCNTs concentrations, Sn:Ni molar rate, the applied peak current density, coating time, duty cycle, and frequency were 5 g/l, 1,5M, 60 mAcm−2, 3 min, 75 %, 100 mHz, respectively.

Keywords: Lithium-ion battery, tin-nickel alloy, composite coating pulse electrodeposition,