Lityum iyon pillerde anot aktif madde olarak kullanılan Lİ4Tİ5O12 bileşiğinin elektrokimyasal özelliklerinin iyileştirilmesi
Enhancement of electrochemical performance of Lİ4Tİ5O12 as a anode active material for lithium-ion batteries
Yazar: FATMA KILIÇ DOKAN
Danışman: PROF. DR. ŞABAN PATAT
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Li4Ti5O12 maddesi, geniş bir enerji bant aralığı (2-3 eV) ve boş bir Ti 3d bandı bulundurması nedeniyle düşük elektronik iletkenliğe (yaklaşık 10−13 S cm−1 )sahiptir. Düşük olan elektronik iletkenlik ise düşük akım yoğunluğuna neden olmaktadır. Li4Ti5O12 maddesinin elektrokimyasal performansını artırmak için en çok kullanılan yöntemler, tanecik boyutunu nanometre ölçekli bir boyuta düşürerek lityum difüzyon yolunun kısaltılması, lityum, titanyum ve oksijeni bir metal veya ametal ile yer değiştirerek ve taneciklerin yüzeyini iletken bir madde ile kaplayarak elektronik iletkenliği artırmaktır.
Bu çalışmada, Li4Ti5O12 maddesi katı-hal, sol-jel ve hidrotermal metotlar kullanarak sentezlendi. Sentezlenen maddelerin kristal yapısı, kristal boyutu ve örgü parametreleri X-ışını toz kırınım metodu, yüzey morfolojisi ve tanecik boyutu taramalı elektron mikroskobu ve iletkenliği doğrusal taramalı voltametri metodu ile ölçümleri ile belirlendi. Sentezlenen maddelerin elektrokimyasal özelliklerini ölçmek için sentezlenen bileşiklerin çalışma elektrodu, lityum metalinin karşıt ve referans elektrot ve 1M LiPF6'ın ağırlıkça 1:1 oranında etilen karbonat-dietil karbonat (EC-DEC) karışımındaki çözeltisinin elektrolit olarak kullanıldığı elektrokimyasal hücreler kullanıldı. 
Karbon kaplama, metal (Ca ve Nb) katkılama ve bilyalı değirmen ile öğütmenin Li4Ti5O12 maddesinin şarj/deşarj performansına olan etkisi 1.0-2.8V voltaj aralığı ve 1C (175mAh.g-1) akım yoğunluğunda araştırıldı. Elektrokimyasal ölçüm sonuçları, karbon kaplama, metal (Ca ve Nb) katkılma ve bilyalı değirmen ile öğütmenin Li4Ti5O12 maddesinin başlangıç deşarj kapasitesi ve döngü peformansını artırdığı belirlenmiştir. Hidrotermal metot ile sentezlenen Li4Ti5O12 anot maddesinin en yüksek başlangıç kapasitesi (176 mAh.g-1) ve 30 şarj/deşarj döngüsü sonunda en düşük kapasite kaybı (%7) gösterdiği bulunmuştur.

Abstract:
Li4Ti5O12 has a poor electronic conductivity, approximately 10−13 S cm−1 because of empty Ti 3d states with a band gap energy of 2−3 eV which may give a moderate rate performance for high-power batteries. The most common methods used to improve the electronic and ionic conductivity of Li4Ti5O12 are reducing the particle-size to the nanometer scale to shorten the lithium-ion diffusion length, doping with metal or nonmetal ions in the lithium, titanium, or oxygen sites, and coating the surface of particles with electronic conductive materials to reduce the resistance.
In this study, Li4Ti5O12 was prepared by solid state, sol-gel and hydrothermal methods. The lattice parameters and the structure of the synthesized materials were determined by XRD analysis. The grain morphology and particle size was determined by the scanning electron microscope. The conductivity of the products was measured by linear potential sweep voltammetry method. To measure the electrochemical properties of synthesized materials, the electrochemical cells were consisted of the synthesized compound as a working electrode, Li metal as the counter and referance electrodes, and 1M LiPF6 in ethylene carbonate and diethyl carbonate (EC-DEC 1:1, w/w) as the electrolyte.
The effect of the carbon coating, metal (Ca and Nb) doping and ball milling on the electrochemical performance of Li4Ti5O12 was investigated in the range of 1.0-2.8 V at 1C (175 mA g-1) rate. The electrochemical results indicate that the carbon coating, metal (Ca and Nb) doping and ball milling lead to improve the initial capacity, cycleability and rate capability of the Li4Ti5O12. 
The Li4Ti5O12, synthesized by hydrothermal method showed the highest dicharge capacity of 176 mAh.g-1 and the capacity retention of 93 % after 30 charge/discharge cycles.