Lityum iyon pillerde anot aktif madde olarak kullanılan li2znti3o8 bileşiğinin sentezi ve elektrokimyasal performansının artırılması
Enhancement of electrochemical performance of li2znti3o8 as an anode active materi̇al for lithium ion batteries
Yazar: SÜLEYMAN YILDIZ
Danışman: PROF. DR. ŞABAN PATAT
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Ticari lityum iyon pillerin çoğunda yüksek voltaj değerine ulaşmak için grafit esaslı karbon anotlar kullanılmaktadır. Grafit esaslı karbon anot, düşük voltaj değerinde (Li/Li+'a karşı <0.2V) elektrot yüzeyinde katı/elektrolit ara yüz tabakasının oluşması sırasında elektron ve Li+ iyonlarının tersinmez olarak harcanması, lityumun dallı büyüyerek kısa devre ve güvenlik riski oluşturması nedeniyle yüksek akım yoğunluğu uygulamaları için uygun değildir.
Lityum iyon pillerde en önemli problem olan güvenlik riskini ortadan kaldırmak için titanyum esaslı anot aktif maddeler ile ilgili çalışmalar yapılmaktadır. Son zamanlarda grafit anoda alternatif olarak şarj/deşarj sırasında hacim değişimi çok az, güvenli ve Li4Ti5O12 anoda göre yüksek kapasite (229 mAh g-1) ve düşük voltaj platosuna (0.7V, Li/Li+ elektroda karşı) sahip olan spinel Li2ZnTi3O8 anot aktif maddesine olan ilgi artmıştır. Ancak Li2ZnTi3O8 anot aktif maddesi, yüksek voltaj polarizasyonu ve düşük akım yoğunluğuna neden olan düşük elektronik ve iyonik iletkenliğe sahiptir. Ti esaslı anot aktif maddelerin iyonik ve elektronik iletkenliğini artırmak için tanecik boyutu küçültme, iletken madde ile kaplamai başka elementler katkılama ve yüzey modifikasyon yöntemleri kullanılmaktadır.
Bu çalışmada karbon kaynağı olarak ilk defa grafen, çok duvarlı karbon nanotüp ve PEG-4000 kullanarak katı hal metodu ile Li2ZnTi3O8/C kompoziti sentezlendi. Sentezlenen maddenin kristal yapısı, morfolojisi ve elektrokimyasal özellikleri; X ışını toz kırınımı metodu, taramalı elektron mikroskobu, iletkenlik ve sabit akımda şarj/deşarj ölçümleri ile araştırıldı. Sabit akımda şarj/deşarj ölçümleri 0.02-3.0V aralığında oda sıcaklığında gerçekleştirildi. 
Elektrokimyasal sonuçlar Li2ZnTi3O8/C kompozit anot aktif maddesinin Li2ZnTi3O8 anot maddesine göre daha yüksek spesifik kapasite ve akım yoğunluğuna sahip olduğunu göstermiştir. Araştırılan anot aktif maddeler arasında karbon kaynağı olarak grafen ve çok duvarlı karbon nanotüp kullanarak sentezlenen Li2ZnTi3O8/C kompozit anot aktif maddesinin en iyi elektrokimyasal özellik gösterdiği bulunmuştur. Li2ZnTi3O8/C kompozit anot aktif maddesinin elektrokimyasal özelliğinin iyi olması, tanecik boyutu küçülmesi ve iletkenlik artışı arasındaki sinerjik etki ile açıklanabilir.

Abstract:
Most commercially available Li-ion batteries are formulated with graphite-based anodes for a large cell voltage. Graphitic carbon anode is however not suitable for high rate applications due to the formation of a solid electrolyte interphase layer on the electrode at a low lithiation potential (<0.2 V versus Li/Li+) , which irreversibly consumes both electrons and Li+ and development of lithium dendrites under high rate conditions causing internal shorts and safety risk. 
Ti-based anode materials have been brought to solve the safety issues which are the most important problems in lithium ion battery. Recently, Li2ZnTi3O8 cubic spinel structure, an alternative anode material to graphite, has received considerable interest for excellent cycle performance, zero strain, safety and higher theoretical capacity (229 mAh g-1) and lower discharge plateau at about 0.5 V compared with those of Li4Ti5O12. However, Li2ZnTi3O8 suffers low electronic conductivity and lithium-ion diffusion rate, leading to severe polarization and imperfect high rate performance. Many efforts have been made to enhance the electronic conductivity and ion conductivity of Ti-based materials, including reducing particle size, coating conducting materials, doping with other ions, and surface modification.
In this work, Li2ZnTi3O8/C composites using graphene, multiwall carbon nanotube and polyethylene glycol 4000 as carbon sources, have been successfully prepared by solid state method for the first time. 
The crystal structure, morphology and electrochemical properties of the as-prepared materials have been investigated by X-ray diffraction, scanning electron microscope, conductivity and galvanostatic charge/discharge measurements. Galvanostatic charge and discharge tests were performed between 0.02 and 3.0 V (vs Li/Li+) at 25 °C. The electrochemical results indicated that the Li2ZnTi3O8/C composites have higher specific capacity and rate property compared to the pure Li2ZnTi3O8 anode material. Among the investigated samples, Li2ZnTi3O8/C using graphene and multiwall carbon nanotube as carbon sources have the best properties. Outstanding electrochemical property of the Li2ZnTi3O8/C composites can be attributed to the synergistic function of reducing particle size and the improving the conductivity.