Lityum iyon piller için çevreye duyarlı LiMn2O4 katot üretimi
Synthesis of environmentally friendly LiMn2O4 cathode for lithium ion batteries
Yazar: AHSEN AKBULUT
Danışman: PROF. DR. İ. AYHAN ŞENGİL
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Son zamanlarda, Li-iyon piller için yüksek enerji kapasiteli, güç yoğunluklu ve iyi çevrimsel kararlılığa sahip LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 ve LiFePO4 esaslı malzemeler yaygın olarak çalışılmaktadır. Sayılan bu dört malzeme arasında, düşük maliyet, bol hammadde kaynakları, zehirli olmaması, kolay üretilebilirliği ve çevre dostu olmasından dolayı, LiMn2O4, yeni nesil Li-iyon pillerde kullanılmak üzere oldukça ümit vaat eden malzeme olarak görünmektedir.Bu çalışmada, şarj-deşarj esnasında düşük iletkenliği ve elektrolitte çözünme probleminin üstesinden gelebilmek amacıyla, çok katmanlı karbon nanotüp/lityum manganoksit (MWCNT/LiMn2O4) nano kompozitlerinin geliştirilmesi ve elektrot yüzeylerinin ZnO, SiO2 ve Au- % (ağ.) 20 Pd kaplanması amaçlanmıştır. Katot malzeme yüzeylerinin altın ve metal oksitlerle kaplanması üzerine literatürde çalışmalar olmasına rağmen, hem MWCNT takviyesinin etkisi ve hem de yüzey kaplamanın etkisini birlikte araştıran, hibrid nanokompozit yapısı ve yüzey kaplamanın etkisini gösteren kapsamlı bir çalışma bulunmamaktadır.LiMn2O4 düşük sıcaklıkta sol-jel yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Ağırlıkça %5, %10 ve %15 MWCNT nanokompozitler mekanik alaşımlama yöntemi ile üretilmişlerdir. Üretilmiş olan elektrotlarda, X-ışınları difraksiyonu (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM) termogravimetrik ve diferansiyel termal analiz (TG/DTA) çalışmaları yapılmıştır.Düğme tipi (CR2016) test pilleri direkt olarak LiMn2O4, LiMn2O4/MWCNTs ve yüzeyleri kaplanmış olan LiMn2O4, LiMn2O4/MWCNT elektrotlar ile karşı elektrot olarak Li folyonun kullanımı ile dizayn edilmişlerdir. Test hücreleri 3,0-4,3 V voltaj aralığında 1,0 C hızında çevrimsel testlere tabi tutulmuşlardır. Testlerin tümü oda sıcaklığında (25 °C) yapılmıştır. Elektrokimyasal empedans çalışmaları 1Hz-1000 kHz. Frekans aralığında 10 mV'luk alternatif akım (AC) uygulayarak gerçekleştirilmiştir. Au-Pd ve ZnO ile yüzeyleri kaplanmış olan LiMn2O4/MWCNT nanokompozitleri çok uzun süreli çevrimlerde bile oldukça yüksek çevrimsel kapasite ve önemli oranda kapasite korunumu göstermişlerdir. Empedans spektroskopisi ölçümleri yüzeyleri kaplanmış olan spinel nanokompozit LiMn2O4 elektrotların kaplanmamış spinellere göre daha düşük şarj transfer direnci gösterdiklerini ortaya koymuştur.Anahtar kelimeler: Li-iyon pil, spinel LiMn2O4, nanokompozit katot, sol-jel, HYULPVHOYROWDPRJUDPGHúDUM kapasitesi, empedans spektroskopisi

Abstract:
Currently, LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 and LiFePO4 have been widely investigated for Li-ion batteries (LIBs) with large energy capacity and power density, and good cycling stability. Among the four, LiMn2O4 is a promising material to be used in new-generation commercial LIBs due to its unique advantages of low cost, abundant resource, nontoxicity, easy preparation, and being environmentally friendly.In this study, it is aimed to develop multiwalled carbon nanotube/lithium manganese oxide (MWCNT/LiMn2O4) nanocomposites and electrode surface coating by ZnO, SiO2 and Au-20 wt. % Pd to overcome poor conductivity and decomposition in the electrolyte during charging and discharging. Although there are studies applying cathode surface coating with metal oxide and gold, there is no comprehensive study to show both surface coating and MWCNTs reinforcement together to reveal the combined effect of hybrid nanocomposites structure and surface coatings.The LiMn2O4 powders were produced by using a well-known sol-gel method at low temperature. The nanocomposites of LiMn2O4 reinforced with 5.0 wt. %, 10 wt. % and 15 wt. % MWCNT were prepared by mechanical alloying. X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) thermogravimetric and differential thermal analysis (TG/DTA) were carried out in the produced electrodes. Coin-type (CR2016) test cells were assembled, directly using the LiMn2O4, LiMn2O4/MWCNTs and surface coated LiMn2O4/MWCNTs, a lithium metal foil as the counter electrode. The cells were cyclically tested using 1.0 C over a voltage range of 3.0-4.3 V. All tests were performed at room temperature (25 °C). The electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was carried out by applying an A.C. voltage of 10 mV over the frequency range from 1Hz to 1000 kHz. Nanocomposites of LiMn2O4/MWCNT with surface coating with Au-Pd and ZnO show high cycle performance with a remarkable capacity retention even at long cycles. Impedance measurements show that the charge-transfer resistance of the nanocomposites with their surfaces was coated is lower than that of spinel LiMn2O4.Keywords: Li-ion battery, spinel LiMn2O4, nanocomposite cathode, sol-gel, cyclic voltammogram, discharge capacity, impedance spectroscopy