Metal hava pilleri için Li-Si alaşımı esaslı anot ile nanokarbon esaslı katot malzemelerinin geliştirilmesi ve karakterizasyonları
Development and characterization of Li-Si alloy anode and nanocarbon based cathode materials for metal-air batteries
Yazar: ERSU LÖKÇÜ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ANIK
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmadaki amaç, Li-hava pili uygulamaları için nanokarbon esaslı katot malzemeleri ve Li metaline alternatif olabilecek alaşım esaslı anot malzemelerinin sentezlenmesi ve elektrokimyasal performanslarının belirlenmesidir. Bu kapsamda çeşitli gözenek boyutlarına sahip beş farklı gözenekli grafen ile anot olarak kullanılması öngörülen dört farklı Li22Si5, Li13Si4, Li7Si3 ve Li12Si7 alaşımı sentezlenmiştir. Ayrıca yine katot olarak kullanılması öngörülen karbon nanotüpler ergimiş tuz metodu ile sentezlenmiştir.

Farklı gözenekli grafenlerin katot olarak kullanıldığı Li-hava pilinde, en yüksek kapasite değeri rGO-30 numunesinde 8240 mA sa. g-1 olarak elde edilmiştir. Sentezlenen tüm gözenekli grafen esaslı elektrotların kapasite değerleri gözeneksiz rGO numunesinden yüksektir. Elde edilen deneysel veriler sonunda katotların yüzey alanının tek başına pil kapasitesini etkileyen parametre olmadığı, özellikle gözenek hacmi ve dağılımının pilin deşarj kapasitesinde daha etkin rol oynadığı belirlenmiştir. Mekanik alaşımlandırma yöntemiyle sentezlenen alaşım anotların performansları karbon nanotüplerin katot olarak kullanıldığı Li-hava pilinde gerçekleştirilmiştir. Alaşımlar içerisinde en yüksek kapasite değerleri 648 mA sa. g-1 ve 544 mA sa. g-1 olmak üzere sırasıyla Li22Si5 ve Li13Si4 alaşımlarından elde edilmiştir. Elde edilen bu kapasite değerleri 10 çevrim sonundaki değerler olup hava pil hücresinin kapasite koruma oranı %80 civarındadır.

Abstract:
The aim of this study is to synthesize and determine the electrochemcal performances of nanocarbon-based cathode materials and alloy-based anode materials that can be an alternative to Li metal for Li-air battery applications. In this scope, five different porous graphene with various pore sizes and four different Li22Si5, Li13Si4, Li7Si3 and Li12Si7 alloys that are intended to be used as anodes are synthesized. In addition, carbon nanotubes, which are also intended to be used as cathodes, were synthesized by the molten salt method.

In Li-air battery where different porous graphene is used as cathode, the highest capacity value is obtained in rGO-30 sample as 8240 mA h g-1. Capacity values of all synthesized porous graphene based electrodes are higher than non-porous rGO sample. As a result of obtained experimental data, the surface area of the cathodes is not the mere parameter for discharge capacity of battery, particularly pore volume and distribution have a more efficient role on discharge capacity of cathode. The performances of alloy anodes synthesized by mechanical alloying method were performed on Li-air cell, with carbon nanotubes used as cathodes. The highest capacity values among the alloys are 648 mA h g-1 and 544 mA h g-1 from alloys Li22Si5 and Li13Si4, respectively, These obtained capacity values are gathered after 10 cycles and the capacity retention rate of the air battery cell is around %80.