Lityum iyon piller için metalurjik silisyum
KNT / grafen çok fonksiyonlu anotların geliştirilmesi / Development of metallurgical silicon / CNT / graphene multifunctional anodes for lithium ion batteries
Yazar: GİZEM HATİPOĞLU
Danışman: PROF. DR. HATEM AKBULUT
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Yeşil enerji kullanımı, sadece sınırlı fosil yakıta olan bağımlılığı değil aynı zamanda sera gazı emisyonu nedeniyle küresel ısınma sorununu da çözecek olan çözümlerdendir. Ancak, herhangi bir yenilenebilir enerji kaynağının etkin olarak kullanımı, enerji depolanmasını gerektirmektedir. Li-iyon piller, taşınabilir elektronik devrelerden elektrikli araçlara kadar çeşitli uygulamalarda kullanılan başlıca enerji depolama sistemidir. Şu anda, Li-iyon pillerde, genellikle anot olarak maksimum 372 mAh/g spesifik kapasite sergileyebilen grafit kulanılmaktadır ve grafit yüksek enerji yoğunluğuna olan ihtiyacını karşılayamamaktadır. Bu kapsamda grafite alternatif olarak Si, Li ile yüksek sitokiyometride alaşım yapabildiği için, oda sıcaklığında grafitin teorik kapasitesinin neredeyse 10 katı kadar olan 3590 mAh/g spesifik kapasite sergileyebilmektedir. Ancak Si, lithasyon sırasında %300'den fazla oranda hacimsel genişlemeye maruz kalmakta ve bu büyük hacimli genişleme, aktif malzemenin pulverizasyonuna, elektriksel temas kaybına ve sonuç olarak hızlı kapasite kaybına neden olmaktadır.
Bu doktora tez çalışmasında, bahsi geçen sorunları düşük maliyetli bir çözümle ele almak için, başlangıç malzemesi olarak metalurjik silisyum kullanılarak, yumurta sarısı-kabuk morfolojili silisyum partiküllerinin ve farklı oranlarda RGO ve/veya ÇDKNT içeren CCSi bazlı elektrotların üretim süreci, yapısal ve elektrokimyasal karakterizasyonu çalışılmıştır. Kompozit anotların üretiminin ilk aşaması, düşük maliyetli metalurjik silisyum tozunu, öğütme yöntemleriyle mikrometre boyutlarında partiküller haline getirmektir. Yumurta sarısı-kabuk yapısını elde etmek için, elde edilen mikro boyutlu partiküller sırasıyla, önce karbon ile kaplanmış ve sonrasında partiküllere HF işlemi uygulanmıştır. Bu işlemlerden sonra CCSi partikülleri elde edilmiş ve sonrasında vakum filtrasyon yöntemiyle CCSi/RGO/ÇDKNT kompozit elektrot aktif malzemeleri üretimi gerçekleştirilmiştir. Tez kapsamında kullanılan indirgenmiş grafen oksit, modifiye edilmiş Hummers yöntemi ile üretilmiştir. Kompozit anotların yapı, morfolojileri ve elektrokimyasal performansları farklı yöntemlerle incelenmiştir. CCSi/RGO/ÇDKNT kompozit elektrotlar, Si'ya göre üstün elektrokimyasal performans sergileyerek, 200 mA/g akım yoğunluğunda, 500 çevrim sonunda 621,393 mAh/g spesifik kapasite elde edilmiştir. Karbon kaplama tabakası ile yüksek elektriksel iletkenliğe ve mekanik mukavemete sahip ÇDKNT ve RGO kullanılarak, elektrotların elektrokimyasal performansları iyileştirilmiştir.

Abstract:
Using the green energy is a solution that will solve the global warming problem not only because of the dependence on limited fossil fuel but also the greenhouse gas emission. But, using renewable energy resources requires energy storage. Li-ion batteries are the main energy storage systems that are used in different applications which changes from portable electronic circuits to electricle vehicles. Nowadays, generally graphite is used as anode which has maximum 372 mAh/g spesific capacity and is not sufficient for the high energy density demand in Li-ion batteries. As an alternative to graphite, Si is capable of making alloys with Li in high stoichiometry, it can exhibit a specific capacity of 3590 mAh g which is almost 10 times the theoretical capacity of graphite at room temperature. However, Si experiences volumetric expansion by more than 300% during lithation, and this large volume expansion causes pulverization of the active material, loss of electrical contact and consequently rapid capacity loss.
In this PhD thesis, in order to address these problems with a low cost solution, structural and electrochemical characterization of silicon particles with yolk-shell morphology and CCSi-based electrodes which have different ratios of RGO and / or MWCNT were studied using metallurgical silicon as starting material. The production process of anodes was started with grinding the metallurgical grade silicon with high purity grade into micrometer silicon particles via milling methods, continued with obtaining yolk-shell structured silicon particles by carbon coating and etching with HF. Active materials of CCSi/MWCNT/RGO anodes were prepared via vacuum-filtration method. Hummers method was used to prepare GO and the obtained GO was reduced to RGO. The structures, morphologies and electrochemical performances of composite anodes were investigated by different techniques. Compared to Si electrode, CCSi/RGO/MWCNT composite electrode displayed a superior electrochemical performance. The electrochemical performance of the electrodes has been improved by using carbon coating layer, MWCNT and RGO, which have high electrical conductivity and mechanical strength.