Şarj edilebilir Li-iyon piller için karbon esaslı Li2CuP2O7 katot elektrotlarının geliştirilmesi ve elektrokimyasal performanslarının incelenmesi
Enhancement of carbon-based Li2CuP2O7 cathodeelectrodes for rechargeable Li-ion batteries andinvestigation of their electrochemicalperformance
Yazar: SEBİLE GÖKÇEN SARAÇ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ZELİHA ERTEKİN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Lityum iyon piller; sağlık sektöründen savunma endüstrisine, ulaşımdan iletişime kadar birçok farklı alanda yaygın bir şekilde kullanılmakta ve talepleri sürekli artmaktadır.Bu yüksek lisans tez çalışmasının öncelikli amaçları arasında, gelişen Li-iyon batarya sektöründe kullanılan yüksek maliyete sahip lityum bazlı gelişmiş ticari katot malzemelerinin yerine alternatif olarak kullanılabilecek daha az maliyetle üretilebilen Li2CuP2O7 katot aktif elektrot malzemesinin iletkenlik kaynağı olarak farklı karbon kaynakları kullanılarak elektrokimyasal performanslarının artırılması hedeflenmiştir. Bu amaç doğrultusunda, yüksek elektriksel iletkenliğe sahip çeşitli grafen kaynakları kullanılarak hazırlanan katot elektrotların şarj-deşarj kapasiteleri ve çevrim ömürleri bu çalışmada ilk kez karşılaştırılmıştır. İletkenlik kaynağı olarak grafen, grafen oksit, 
indirgenmiş grafen oksit, karbon siyahı, karbon siyahı ve grafen karışımı (1:1) kullanılarak 
hazırlanan katot elektrotlarının, kullanılan toz grafen türevleri ve Li2CuP2O7`ın karakterizasyon testleri Raman Spektroskopisi, X-Işını Difraksiyonu (XRD), X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Brunauer–Emmett–Teller (BET) yüzey alanı ve gözeneklilik ölçüm yöntemleri kullanılarak detaylıanaliz edilmiştir. Karbon kaynaklarının elektrokimyasal performansları ise dönüşümlü voltametri (CV), kronopotansiyometri (galvanostatik şarj-deşarj) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) teknikleri ile kullanılarak değerlendirilmiştir. CV ve EIS sonuçları, farklı karbon kaynaklarının elektron transferi ve Li+ difüzyonunda önemli farklılıklar olduğunu desteklemektedir. Bu çalışmada, lityum iyon pillerinde kullanılan aktif elektrot malzemelerinin yanı sıra iletkenlik dolgu malzemesi karbon kaynağının yüzey alanının, pil kapasitesi üzerinde büyük bir etkisi olduğunu göstermektedir. Katot elektrotların performansı, 20 mA/g akım yoğunluğunda 1. döngü deşarj değerleri açısından sıralandığında: grafen oksit (372 mAh/g) > karbon ve grafen karışımı (228 mAh/g) > grafen 
(196 mAh/g) > karbon siyahı (177 mAh/g) > indirgenmiş grafen oksit (25 mAh/g). Aynı şekilde, 30 mA/g akım yoğunluğunda 1. döngü deşarj değerleri açısından: grafen oksit (374 mAh/g) > grafen (266 mAh/g) > karbon ve grafen karışımı (84 mAh/g) > indirgenmiş grafen oksit (74 mAh/g) > karbon siyahı (26 mAh/g). Elde edilen sonuçlar, farklı karbon kaynaklarının Li-iyon pillerinde katot elektrot malzemesi olarak kullanılmasının enerji odaklı teknolojilere önemli bir katkı sunabileceğini göstermektedir.

Abstract:
Lithium-ion batteries are widely used in various fields, from the healthcare sector to the 
defense industry, transportation, and communication, and their demand is constantly 
increasing. Among the primary objectives of this master's thesis work is to enhance the 
electrochemical performance of the Li2CuP2O7 cathode active electrode material, which can 
be produced at a lower cost as an alternative to high-cost lithium-based advanced 
commercial cathode materials used in the growing Li-ion battery sector. Concerning this 
objective, cathode electrodes prepared using high electrical conductivity various graphene 
sources have been compared for the first time in this study regarding their charge-discharge 
capacities and cycle lifetimes. The cathode electrodes, prepared with graphene, graphene 
oxide, reduced graphene oxide, carbon black and a 1:1 mixture of carbon black and graphene 
as conductivity sources, were characterized in detail, including the analysis of the graphene 
derivatives and Li2CuP2O7 material using various techniques such as Raman Spectroscopy,X-Ray Diffraction (XRD), X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Scanning Electron 
Microscopy (SEM), as well as Brunauer-Emmett-Teller (BET) measurements for surface 
area and porosity. The electrochemical performance of carbon sources was carried out using 
techniques such as cyclic voltammetry (CV), chronoamperometry (galvanostatic chargedischarge), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). CV and EIS results support 
significant electron transfer and Li+
diffusion differences among different carbon sources. In 
this study, it is indicated that the surface area of the conductivity agent carbon source has a 
significant impact on the capacity of active electrode materials used in lithium-ion batteries. 
When ranking the performance of the cathode electrodes based on the first cycle discharge 
values at a current density of 20 mA/g, the order is as follows: graphene oxide (372 mAh/g) 
> a mixture of carbon and graphene (228 mAh/g) > graphene (196 mAh/g) > carbon black 
(177 mAh/g) > reduced graphene oxide (25 mAh/g). Similarly, at a current density of 30 
mA/g for the first cycle discharge values: graphene oxide (374 mAh/g) > graphene (266 
mAh/g) > a mixture of carbon and graphene (84 mAh/g) > reduced graphene oxide (74 
mAh/g) > carbon black (26 mAh/g). The obtained results indicate that using different carbon 
sources as cathode electrode materials in Li-ion batteries could significantly contribute to 
energy-focused technologies.