Lityum iyon hücrelerin katot aktif maddesinde yaygın olarak kullanılan bileşenlerin grafen türevleri ile zenginleştirilerek üretilmesi
Production of commonly used components in the cathode active substance of lithium-ion cells by enrichment with graphene derivatives
Yazar: BIRAYDA ALPARSLAN
Danışman: DOÇ. DR. EKİN ASLAN
Kayseri Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Lityum-iyon pillerdeki katmanlar içinde bulunan bileşenler temel olarak şunlardan oluşur: katot, anot, elektrolit ve ayırıcı. Pozitif elektrot katot, negatif elektrot ise anottur. Bu elektrotlar birbirinden ayırıcı bir tabaka ile ayrılmıştır. Elektrotlar arasında iyon transferini kolaylaştırmak için elektrolit kullanılır. Katotlar ve anotlar, sırasıyla pozitif ve negatif elektrotlar olarak, farklı kimyasal bileşimlere sahip olabilir. İyi bilinen katot malzemeleri arasında LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4, LiNixCoyAlzO2 (NCA) ve LiNixMnyCozO2 (NMC) yer alır. Bugün, bu katot malzemeleri arasında yüksek enerji yoğunluklarıyla öne çıkan NCA ve NMC katot malzemeleridir. 
NMC katodu, piyasada yaygın olarak kullanılan ve güvenilir bir katottur. NMC katot elektrodunun ileri aşamalarda şarj-deşarj döngüleri sırasında hızlı bir kapasite düşüşü sorunuyla karşılaştığı göz önüne alındığında, daha iyi bir katot performansı elde etmek için çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışma, NMC katot elektrodunun kapasitesini artırmak ve pil içindeki potansiyel olumsuz reaksiyonları ortadan kaldırmak amacıyla yapılmıştır. Çalışmada karbon (C) atomunun verimli bir şekilde kullanıldığı ve karbon atomlarının petek benzeri yapısıyla tanınan grafen türevlerinden "Sahte grafen" olarak bilinen indirgenmiş grafen oksidin (rGO) sentezi için modifiye Hummers yöntemi seçilmiştir. Katot için kullanılacak yüksek saflıkta NMC tozları, sol-jel süreciyle sentezlenir. Ardından, elektrot hazırlama sürecinde sentezlenen NMC, rGO ve ek olarak karbon siyahı (C-Black) tozu, bir bağlayıcı (PvDF) ile karıştırılarak birbirleriyle homojen bir şekilde entegre edilmiştir ve elektrot hazır hale getirilmiştir. Grafenin inanılmaz hafifliği ve mükemmel iletkenliği, pil endüstrisinde şüphesiz yeni bir dönemin habercisi olacaktır.

Anahtar Kelimeler: Lityum iyon, hücre, pil, NMC, grafen

Abstract:
The components found in layers within lithium-ion batteries fundamentally consist of the following: cathode, anode, electrolyte, and separator. The positive electrode is the cathode, while the negative electrode is the anode. These electrodes are separated from each other by a separator. Electrolyte is used to facilitate ion transfer between the electrodes. Cathodes and anodes, being positive and negative electrodes, respectively, can have different chemical compositions. Among the well-known cathode materials are LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4, LiNixCoyAlzO2 (NCA), and LiNixMnyCozO2 (NMC). 
The NMC cathode is a commonly used and reliable cathode in the market. Efforts are indeed underway to achieve even better cathode performance, as the NMC cathode electrode encounters a rapid capacity drop issue in the charge-discharge cycles during advanced stages. This study has beem conducted to enhance the capacity in the NMC cathode electrode and eliminate potential adverse reactions within the battery. In the study, the modified Hummers method has been chosen for the synthesis of reduced graphene oxide (rGO), known as 'pseudo-graphene,' which is one of the graphene derivatives recognized for its honeycomb-like structure and efficient utilization of carbon (C) atoms. High-purity NMC powders to be used for the cathode has been synthesized through a predetermined process. Subsequently, in the electrode preparation process, the synthesized NMC, rGO, and additional carbon black (C Black) powder has been mixed with a binder (PvDF) to integrate them with each other homogeneously, making the electrode ready. The incredibly lightweight nature and excellent conductivity of graphene will undoubtedly herald a new era in the battery industry.

Keywords: Lithium ion, cell, battery, NMC, graphene