Sodyum iyon bataryalar ı̇çı̇n Na2/3Co1/3Ni1/3Mn1/3O2 katot aktı̇f malzemesı̇nı̇n sentezı̇ ve karakterı̇zasyonu
Synthesis and characterization of Na2/3Co1/3Ni1/3Mn1/3O2 cathode active material for sodium ion batteries
Yazar: SELMA ECER
Danışman: PROF. DR. SEVDA AVCI
İstanbul Medeniyet Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı / Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Yeryüzünde havaya, suya ve toprağa ne kadar ihtiyaç duyuluyorsa enerji kaynaklarına da o derece ihtiyaç önem arz etmektedir, zira enerji kaynakları sanayide, üretimde, teknolojide ve  bireysel kullanımda yaygın olarak kullanılmaktadır. İkincil bataryalar yenilenebilir çevre dostu, güvenli ve ekonomiktir ve enerji depolama sistemleri olarak  en çok araştırılan kaynaklardır. İkincil bataryalar olarak en çok incelenen lityum iyon bataryalardır (LIBlardır) ve LIB'lar  ticari olarak büyük başarılara imza atmıştır (2019 Nobel Kimya Ödülü). Enerji depolamada kullanılan lityum iyon bataryanın en çok tercih edilmesindeki temel sebebi uzun ömrü, çevrilebilirliği, yüksek kapasitesi ve  hafif olmasıdır [1]. Öte yandan lityum iyon batarya üzerine çalışmaların  devam etmesine  gölge düşüren etken, lityum rezervinin yeryüzünde sınırlı olmasıdır. Teknolojik çağın etkisi ile her geçen gün portatif ve ikincil lityum iyon batarya  tüketiminin artması gelecekte enerji depolama taleplerinin karşılanamamasından dolayı endişe doğurmaktadır [2]. Öte yandan lityum ile aynı  elektrokimyasal  (1A grubu) özelliğe sahip   en hafif ikinci alkali metal olan sodyum  yeryüzünde bol rezerve sahiptir [3] ve  bu sayede lityuma karşı küresel pazarda en güçlü  alternatif konumundadır. 
Sodyum iyon bataryalar (SIB'lar) enerji depolama sisteminin bir parçası olarak araştırmalarda popülerdir ve buna bağlı olarak elektrot malzemesi elektrokimyasal hücrede enerji yoğunluğu, şarj/deşarj hızı ve süresi gibi parametreleri etkileyen SIB'nın (elektrokimyasal hücreler bütünü) bir bileşenidir. Katot malzemeyi (aktif madde) oluşturan sodyum, oksijen ve geçiş metali iyonlarıdır. Bir SIB'nın fiziksel ve kimyasal özelliğini etkileyen element seçimi ve katot malzeme yapısıdır ve bunun yanı sıra  diğer etken ise elektrot malzemenin sentez yöntemidir. Aktif malzeme bulk ve nano malzeme olarak iki grupta sentezlenebilir. Nanomalzemeler son yıllarda şarj edilebilir batarya araştırmalarında yaygın şekilde kullanılmaktadırlar. Bunlardan biri olan nanofiberler yüksek yüzey alan / hacim oranı ile karakterize edilen nanomalzemelerdir [4]. Nanoyapılı elektroaktif malzemeler kısa sodyum iyon difüzyon mesafesine, daha az hacim genleşmesine, daha hızlı iyon transferine sahiptir ve bu durum  elektrokimyasal hücrenin performansını önemli ölçüde etkiler [5,6].
Bu tez çalışmasında sodyum iyon pillerde kullanılan Na2/3Co1/3Ni1/3Mn1/3O2 katot aktif malzemesi elektrospinning yöntemi ile bir boyutlu nanofiber (NMNCO-N) ve katı hal reaksiyonu yöntemi ile yığın (bulk) formda (NMNCO-K) sentezlendi. NMNCO-N ve NMNCO-K katot  malzemelerin  kristal yapıların X-kırınım difraksiyon (XRD) ile, morfolojik karakterizasyonları taramalı elektron mikroskopisi (SEM) ile incelendi. Katot malzemenin kütleleri baz alınarak  CR2032 hücre tipi batarya oluşturuldu. Her bir bataryanın elektrokimyasal özellikleri  galvanostat  test cihazı ile 1.5-4V (Na+/Na elektrodun karşı) aralığında farklı akım hızlarında (C/10, C/5, C/3, C/2, C) karakterize edildi. NMNCO-N ve NMNCO-K katot malzemelerde bataryanın (elektrolit ağırlıkça 1:1 oranında PE:EC karışımında  1M NaCIO4 tuz) hız performansı sırasıyla   0.1C'de 92.33 mAhg-1 ve 88 mAhg-1, C'de 91.9 mAhg-1 ve 81.0 mAhg-1 olarak raporlandı. NMNCO-N'nın  NMNCO-K katot malzeme sırasıyla 100 çevrim sonunda %89.2 ve %71.7 kapasite tutma oranı elde etti. Buna bağlı olarak nanofiber olarak elde edilen katot malzemelerin yapısının pil performansı üzerine etkileri açık bir şekilde sunulmaktadır.  
Bu çalışma, mevcut ve gelecekteki batarya teknolojilerinin gelişimini ilerletmeyi nano yapılı malzemelerin üstün performansını ve  elektrokimyasal hücreyi oluşturan farklı malzemelerin ve bileşiklerin yapısal ve elektronik değişimlerinin anlaşılmasını hedeflemektedir.

Abstract:
As much as the need for air, water and soil on earth, the need for energy resources is also important because energy resources are widely used in industry, production, technology and individual use. Secondary batteries are renewable, environmentally friendly, safe and economical and are the most researched resources as energy storage systems. Lithium-ion batteries (LIBs) are the most studied as secondary batteries, and LIBs have achieved great commercial success (2019 Nobel Chemistry Award). The main reasons why the lithium-ion batteries are preferred for energy storage is that they have a long lifetime, durability, high capacity and they are light weight. On the other hand, the factor that shadows the continuing work on the lithium-ion battery is that the lithium reserve is limited on earth. The increase in portable and secondary lithium-ion battery consumption day by day due to the effect of the technological era raises concern because the energy storage demands cannot be met in the future. On the other hand, sodium, which is the second lightest alkali metal with the same electrochemical (1A group) property as lithium, has the most abundant reserves on earth and is thus the strongest alternative against lithium in the global market and research fields.
Sodium ion batteries (NIBs) are popular in research as part of the energy storage system, and accordingly, the electrode material is a component of the SIB (electrochemical cells whole) that affect parameters in the electrochemical cell, such as energy density, charge/discharge rate, and charge/discharge duration. Sodium, oxygen and transition metal ions are the components of the cathode material (active substance). Element selection, cathode material structure and the synthesis method affect the physical and chemical properties of a SIB. The active material can be synthesized in two main morphologies as bulk and nano materials. Nanomaterials have been widely used in rechargeable battery research in recent years. Nanofibers are nano materials characterized by high surface area / volume ratio. Nanostructured electroactive materials have short sodium ion diffusion distance, less volume expansion and faster ion transfer, which significantly affect the performance of the electrochemical cell.               
In this thesis, Na2/3Co1/3Ni1/3Mn1/3O2 cathode active material for sodium ion batteries was synthesized both as one (1D) dimensional nanofiber  by electrospinning method (NMNCO-N) and as bulk form by solid state reaction method (NMNCO-K). The crystal structure of NMNCO-N and NMNCO-K cathode material was investigated by X-ray diffraction (XRD) and morphological characterization by scanning electron microscopy (SEM). Based on the masses of the cathode material, a CR2032 cell type battery was created. Electrochemical properties of each battery were characterized by galvanostat tester at different current rates (C/10, C/5, C/3, C/2, C) in the range of 1.5-4V (opposite of Na + / Na electrode). 
In NMNCO-N and NMNCO-K cathode materials, the speed performances of the batteries (1M NaCIO4 salt in the mixture of electrolyte in a 1:1 ratio of PE:EC) are determined as 92.33 mAhg-1 and 88 mAhg-1 at 0.1C and 91.9 mAhg-1 and 81.0 mAhg-1 at 1C, both respectively. The test results of NMNCO-N and NMNCO-K cathode materials of NIB were reported as 89.2% and 71.7% capacity retention rates after 100 cycles, respectively. Due to this the effects of the structure of the cathode materials obtained as nanofiber on battery performance are clearly presented.
This study aims to advance the development of current and future battery technologies, the superior/high performance of nanostructured materials and the understanding of the structural and electronic changes of the different materials and compounds that make up the electrochemical cell.