Yüksek performansa sahip karbon içerikli anot malzemelerinin geliştirilmesi
Development of high performance carbon anode materials
Yazar: YAĞMUR GÜNER
Danışman: PROF. DR. SERVET TURAN
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Anotlar = Anodes ; Grafen = Graphene ; Lityum iyon pil = Lithium ion battery ; Yüzey aktif maddeleri = Surfactants

Özet:
Bu çalışmada katkılandırılmış grafen ve çeşitli gözenekli karbonlar olmak üzere iki
farklı karbon anot malzemesi grubunun kimyasal, yapısal, morfolojik özellikleri XPS,
Raman, SEM, TEM analizleri ile incelenmiş ve bunların elektrokimyasal performansa
etkileri, şarj/deşarj testleri ve çevrimsel voltametri ile belirlenmiştir.
İlk grupta; katkılandırılmış grafen tozlarının sentez parametrelerinden etkilenen
fonksiyonel grupların, bağ tiplerinin, kusur oranlarının ve morfoloji değişimlerinin,
elektrokimyasal performansa etkisi incelenmiştir. XPS analizleri, redoks reaksiyonları
arasında farklılıkların olduğunu ve katkı elementlerinin karbon ve oksijenle yaptıkları
bağların değiştiğini göstermiştir. Oksijen içerikli grupların artışı ile kusur oranı ve
tabakalar arası mesafe artmış ve bunun sonucunda elektrokimyasal performans
yükselmiştir. Bu grup içindeki en yüksek performans, N katkılı numunelerden N-GP4'ün
gösterdiği, 100 mA/g akım yoğunluğunda, 75. şarj/deşarj çevriminde 430 mAh/g'dır.
İkinci grupta farklı gözenekli karbonların elektrokimyasal performansı ve yüzey
aktif maddelerinin etkileri incelenmiştir. Süngerimsi ağ morfolojisinin performansının
daha düşük olduğu ve partikül boyutu arttıkça performansın düştüğü görülmüştür.
Anyonik (SDS) ve katyonik (CTAB) maddeler ile modifikasyonla gerçekleşen morfolojik
ve yapısal değişimler SEM ve Raman analizleri ile incelenmiştir. Bu modifikasyonların
morfoloji üzerinde büyük değişimlere neden olarak yüzey alanı ve tabaka dizilimlerini
değiştirdiği görülmüştür. Raman analizlerinden hesaplanan I2D/IG oranları da bu durumu
desteklemiştir. Tek çeşit yüzey aktif maddesi yerine iki maddenin birlikte kullanılması
ile yapıdaki değişiklikler daha güçlü şekilde gerçekleşmiştir. SDS ve CTAB'ın sinerjitik
etkisinin olduğu, sabit ve değişken akım yoğunluklarında yapılan testlerde kapasitenin
yaklaşık 1,5 kat arttığı görülmüştür.
Tüm malzemeler arasında en yüksek kapasite değeri, gözenekli karbonlardan SDS
ve CTAB'ın birlikte kullanıldığı P-CY4 numunesinde elde edilmiş olup 200 mA/g akım
yoğunluğunda 618 mAh/g olarak ölçülmüştür.

Abstract:
In this study, the chemical, structural and morphological properties of two different
groups of carbon anode materials, doped graphene and porous carbons, were investigated
by XPS, Raman, SEM, TEM analyzes and their effects on electrochemical performance
were determined by charge/discharge tests and cyclic voltammetry.
In the first group; the effects of functional groups, bond types, defect rates and
morphology changes, which are affected by synthesis parameters of doped graphene
powders, on electrochemical performance were investigated. XPS analyzes showed
different bonds between the additive elements with carbon and oxygen due to redox
reactions. With the increase of oxygen-containing groups, the defect ratio and the distance
between the layers increased, and as a result, the electrochemical performance increased.
The highest performance in this group is 430 mAh/g at the 75th charge/discharge cycle,
at a current density of 100 mA/g, demonstrated by N-GP4, one of the N-doped samples.
In the second group, the electrochemical performance of different porous carbons
and the effects of surfactants were investigated. It was observed that the performance of
the spongy network type morphology was lower and decreased as the particle size
increased. Morphological and structural changes that occur with modification with
anionic (SDS) and cationic (CTAB) surfactants were investigated by SEM and Raman
analyses. It was observed that these modifications led significant changes on the
morphology, surface area and layer arrangement. I2D/IG ratios also supported this
situation. The changes in the structure occurred more remarkably with the use of two
surfactants together. It has been observed that SDS and CTAB have a synergistic effect,
and the capacity has increased approximately 1.5 times in charge/discharge tests
performed at constant and variable current densities.
The highest capacity value among all the materials was obtained in the P-CY4
sample from porous carbons, in which SDS and CTAB were used together, and it was
measured as 618 mAh/g at a current density of 200 mA/g.