Kalay-karbon esaslı grafen takviyeli serbest anot elektrotların sentezi ve lityum iyon pil uygulamaları
The synthesis of tin and carbon based, graphene rainforced free anode electrodes and applicability of lithium-ion batteries
Yazar: MUSTAFA GÜZELER
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MEHMET OĞUZ GÜLER
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Son yıllarda teknolojideki hızlı gelişmelerle birlikte küresel bir saha haline gelen dünyamızda enerjiye olan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Uygarlığın başlangıcından beri düzenli ve konforlu hayat standardını sağlayabilmek için enerji kaynakları sürekli arttırılmış ve enerji kaynağı olarak da fosil yakıtlar, nükleer enerji ve güneş enerjisi gibi kaynaklar kullanılmıştır.

Nano seviyede bilim ve teknoloji, farklı formdaki nano yapılarının karakterizasyonu ve uygulaması sonucunda üretim sahalarında ortaya çıkan hızlı gelişimi ve büyük kütleli parçalardan elde edilemeyen birçok özelliğin elde edilebilirliğinden dolayı daha da ilgi duyulan alanlar olmaya başlamıştır. Nano teknoloji alanında son yıllarda taşınabilir elektronik cihazlar için Li-iyon piller yeniden şarj olabilir özelliği ile yaygın kullanılan önemli ana güç kaynaklarından olmaya başlamıştır. Li-iyon piller için anot malzemesi olarak grafit, ticari olarak yaygın kullanılan malzeme olmasına rağmen, daha yüksek performanslı malzemeler dünyada artan oranda araştırılmaya devam etmektedir. Örnek olarak kalay, grafitin yaklaşık olarak üç katı kapasiteye sahip olmasından dolayı bu alanda en çok araştırılan potansiyel anot malzemelerinden birisi olmaktadır. Dolayısıyla son yıllarda Li-iyon pillerin taşınabilir elektronik cihazlar ve elektrikli araçlar için geleceği en parlak güç kaynaklarından biri olacağına inanılmaktadır.

Bu çalışmada, öncelikli olarak stabilize edilmiş ve ölçeklenebilir kalay (Sn) ve Sn esaslı intermetalik anodları için bir "yumurta sarısı - kabuk" yapısı oluşturulmuştur. Yumurta sarısı olarak Sn nanoparçacıkları (~ 30 – 130 nm) kolay bir sentez olarak kimyasal indirgeme yöntemi ile elde edilmiştir. Sn esaslı nanopartiküllerinin yüzeyleri ilk olarak SiO2 tabakası ile kaplanmıştır ve elde edilen Sn@SiO2 nano kompozitleri üzerinde kabuk yapısı elde edebilmek için mikrodalga destekli hidrotermal karbon kaplama prosesi ve inert gaz ortamında karbon kaplama prosesleri ile sırasıyla karbonlama işlmi uygulanmıştır. Elde edilen Sn@Si02@C yapısı içerisinden SiO2 tabakasını uzaklaştırmak için hidroflorik asit ile işlem yapılmıştır ve Sn@C@yumurta sarısı-kabuk yapısı elde edilmiştir. Sonrasında, grafen esaslı serbest elektrotlar vakum filtrasyon tekniği ile elde edilmiştir ve nano yapılı Sn, Sn@C/yumurta sarısı-kabuk ve rGO@Sn@C@yumurta sarısı-kabuk elektrotlarının elektrokimyasal özellikleri ayrıntılı olarak incelenmiştir

Abstract:
In the world, that has become a global field with rapid developments in technology in recent years, the need for energy is increasing dayby day. Since the beginning of civilization, energy resources have been continuously increased to provide a regular and comfortable life standard, and resources such as fossil fuels, nuclear energy and solar energy have been used as energy resources. 

At the nano level, there are areas of increased interest due to the rapid development of science and technology, the characterization and application of nano structures in different forms, and the availability of many features not available from massive fragments. In the field of nanotechnology, Li-ion batteries for portable electronics devices in recent years have begun to become major mainstream power sources that are widely used with the ability to recharge. Although graphite as anode material for Li-ion batteries is widely used commercially, higher performance materials continue to be explored around the world. For example, tin is one of the most researched potential anode materials because of it has approximately three times the capacity of graphite. Therefor, Li-ion batteries are believed to be one of the brighest future power sources for portable electronic devices and electric vehicles in recent years.

In this study, a "yolk-shel" structure for a stabilized and scalable tin anode is designed. Tin nanoparticles (~30-130 nm) as the "yolk" were produced through a facile chemical reduction synthesis method. The surfaces of the tin based nanoparticles firstly coated with a SiO2 sacrificial layer and the obtained composite nano Sn@SiO2 particles were subjected to microwave hydrothermal carburization and inert gas carburization in order to obtain the shell structure. The as-synthesized nanocomposite particles were then subsuquently treated with hydrofluoric acid in order to selectively remove the SiO2 sacrificial layer and the Sn@C yolk-shell structure is obtained. Graphene based freestanding electrodes were then obtained through a facile vacuum filtration technique. The electrochemical properties of the nanostructured Sn, Sn@C/yolk-shell and rGO@Sn@C/yolk-shell free standing electrodes were investigated in detail.