Anodun titanyum dioksit (TİO2) katkılı poli (etilen oksit) (PEO) nanokompozit ile kaplanarak lityum-iyon pilin performansının arttırılması
Improving the performance of li-iyon battery by coating anode with titanium dioxide (TİO2) added poly (ethylene oxide) nanocomposite
Yazar: EYÜP AKBULUT
Danışman: PROF. DR. ENGİN BURGAZ
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Şarj edilebilir lityum-iyon piller ikincil piller sınıfına girmektedir. Lityum-iyon pillerin performansını artırmak amacıyla yapısını oluşturan anot elektrodu, ayırıcı, elektrolit ve katot elektrodu gibi bileşenlerinin özelliklerini iyileştirmek için çalışmalar yapılmıştır. Lityum-iyon pillerin performansındaki artış pilin enerji yoğunluğu, özgül kapasitesi ve çalışma voltajı gibi özelliklerinin iyileştirilmesi gerçekleştirilebilmektedir. Bu özelliklerin iyileştirilmesi özellikle pili oluşturan elektrotların verimliliğini artırmakla sağlanabilmektedir. Lityum-iyon pillerin diğer şarj edilebilir pillere göre üstün özellikleri öncelikle lityum elementinin üstün özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Li metali; yüksek teorik kapasitesi (3860 mAh/g), düşük yoğunluğu (0.59 g/cm3) ve düşük redoks potansiyeli (standart hidrojen elektroduna karşı -3,04 V) nedeniyle anot malzemesi olarak tercih edilmektedir. Ancak lityum metali organik çözücülerle reaksiyona girebildiğinden ilk şarj/deşarj işlemleri sırasında bir yüzey filmi oluşmaktadır. Lityum ve elektrolit türleri arasında ani reaksiyonlar milisaniye veya daha kısa bir zamanda gerçekleşmektedir. Elektriksel olarak yalıtkan ve iyonik olarak iletken arayüz, katı elektrolit arafazı olarak adlandırılmıştır. Katı elektrolit arafazın oluşumu anodu ve elektrolidi tüketerek düşük verimliliğe yol açmaktadır. Ayrıca Li/elektrolit arayüzündeki lityum çözünmesi çukurlara ve boşluklara neden olarak ölü lityum oluşumuna ve lityum elektrodun bozulmasına neden olmaktadır. Bu tez çalışmasında, lityum metalinin elektrolit ile temasını engellemek ve dendritik büyümeyi bastırmak amacıyla lityum metal anot titanyum dioksit (TiO2) katkılı poli (etilen oksit) (PEO) nanokompozit ile kaplanmıştır. Kaplama tabakasının etkisini gözlemleyebilmek için kaplanmamış, PEO ile kaplanmış ve ağırlıkça %0,5, %1, %2,5 TiO2 katkılı PEO nanokompozit ile kaplanmış lityum metalleri anot olarak kullanılarak piller üretilmiştir. Üretilen pillere çevrim performansı, döngüsel voltametri, elektrokimyasal empedans spektroskopisi analizleri yapılmıştır. Kaplama tabakaları için X-ışını kırınımı, taramalı elektron mikroskobu, Fourier dönüşümlü kızıl-ötesi spektroskopisi, termogravimetrik analiz ve diferansiyel taramalı kalorimetre testleri yapılmıştır. Yapılan testler sonucunda ağırlıkça %1 TiO2 katkılı PEO nanokompozit ile kaplanmış anotların kullanıldığı piller yavaş şarj/deşarj akım yoğunluklarında 157,98 mAh/g ile en yüksek özgül kapasiteye sahip olmuştur. Anot yüzeyinin nano boyutlu TiO2 katkısı ile kaplanmasının 100 çevrim boyunca etkisi gözlenmiş ve testler ile performanstaki artış kanıtlanmıştır.

Abstract:
The rechargeable lithium-ion batteries are classified as secondary batteries. In order to increase the performance of lithium-ion batteries, investigations have been carried out to improve the properties of components such as anode electrode, separator, electrolyte and cathode electrode. The increase in the performance of lithium-ion batteries can be achieved by improving the characteristics of the battery such as energy density, specific capacity and operating voltage. The improvement of these properties can be provided especially by increasing the efficiency of the electrodes that compose the battery. The superior properties of lithium-ion batteries compared to other rechargeable batteries are primarily due to the superior properties of element lithium. Li metal; It is preferred as the anode material due to its high theoretical capacity (3860 mAh/g), low density (0.59 g/cm3) and low redox potential (-3.04 V versus standard hydrogen electrode). However, since lithium metal can react with organic solvents, a surface film is formed during the initial charge/discharge processes. The electrically insulator and ionically conductive interface is termed the solid electrolyte interface. The formation of solid electrolyte interphase consumes the anode and electrolyte, leading to low efficiency. In addition, lithium dissolution at the Li/electrolyte interface causes pits and voids, resulting in inactive lithium formation and deterioration of the lithium electrode. In this study, lithium metal anode was coated with titanium dioxide (TiO2) doped poly (ethylene oxide) (PEO) nanocomposite in order to prevent the contact of lithium metal with electrolyte and suppress dendritic growth. In order to observe the effect of coating layer, batteries were produced by using uncoated, PEO coated and PEO nanocomposite coated with 0.5%, 1%, 2.5% by weight TiO2 doped lithium metals as anodes. The cycle performance, cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy analyzes were performed on the produced batteries. X-ray diffraction, scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry tests were performed for the coating layers. As a result of the tests, the batteries using anodes coated with 1% TiO2 doped PEO nanocomposite had the highest specific capacity with 157.98 mAh/g at slow charge/discharge current densities. The effect of coating the anode surface with nano-sized TiO2 additive was observed for 100 cycles and the increase in performance was proven with tests.