Li-hava bataryaları için rgo/ru/α-mno2 nanokompozit esnek katotların geliştirilmesi
Development of rgo/ru/α-mno2 nanocomposite flexible cathodes for li-air batteries
Yazar: ASLIHAN ÖNCÜ
Danışman: DOÇ. DR. TUĞRUL ÇETİNKAYA
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Anahtar kelimeler: Ru, α-MnO2, lityum hava pili, serbest duran elektrot, elektrokimyasal performans. 

Elektronik aygıtlara ve araçlara olan talebin artması verimli çalışabilen ve yüksek kapasite değerlerine sahip pillere olan ilgiyi arttırmıştır. Bu ihtiyacın karşılanması açısından lityum hava pilleri umut verici görülmektedir. Hali hazırda bu amaçla kullanılan ticari pillere alternatif olarak özgül enerji yoğunluğunun çok daha yüksek olması bu pilleri ilgi çekici yapmıştır. 

Bu tez çalışmasında termal ve kimyasal indirgeme olmak üzere iki farklı indirgeme yöntemi kullanılarak Grafen, Grafen/Ru esnek serbest durabilen katotlar üretilmiştir. Fiziksel ve kimyasal karakterizayon sonucunda daha iyi sonuçlar veren indirgeme yöntemi olan kimyasal indirgeme yöntemi kullanılarak Grafen/Rutenyum/α-MnO2 (rGO/Ru/α-MnO2) hibrit üçlü esnek nanokompozit katotlar, esnek Li-hava pil sistemi için bir bağlayıcı ve iletken karbon katkı maddeleri kullanılmadan üretilmiştir. rGO/Ru/α-MnO2 katotlarının elektrokimyasal performansı rGO ve rGO/Ru katotları ile karşılaştırılmıştır. Hava soluyan katotların yüzey morfolojileri, Alan Emisyonlu Taramalı Elektron Mikroskobu (FESEM) ve Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM) kullanılarak karakterize edilmiştir. Katotların eleman bileşimi, α-MnO2 ve Ru katalizörlerinin dağılımı sırasıyla enerji dağıtıcı spektrometre (EDS) ve EDS-haritalaması kullanılarak araştırılmıştır. Katotların faz yapıları Raman spektroskopisi ve X-ışını kırınım paternleri (XRD) kullanılarak incelenmiştir. Katotların elektrokimyasal performansları, çevrimsel voltametri (CV), elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS), galvanostatik yük-deşarj ve elektrokimyasal döngü testleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, iyi monte edilmiş α-MnO2 nanotel destekli ve rutenyum nanopartikül yüklü grafen hibrit nanokompozit elde edilmiş ve rutenyum ve α-MnO2 katalizörleri yardımıyla oksijen oluşum reaksiyonunda (OER) başarılı azalma ve oksijen indirgeme reaksiyonunda (ORR) artış gözlemlenmiştir. rGO/Ru/α-MnO2'nin daha fazla deşarj ürününü katalize ettiği ve 2225 mAh/g'ye ulaştığı bildirilirken, rGO/Ru sadece 1670 mAh/g tam deşarj kapasitesi göstermiştir. rGO/Ru/ rGO/Ru/α-MnO2, Rutenyum ve α-MnO2 katalizörlerinin etkisi ile geri dönüşümlü Li2O2 oluşum kinetikleri üzerindeki artış nedeniyle 50 mA'ya kadar 650 mAh/g kararlı deşarj kapasitesi sergilemiştir.

Abstract:
Keywords: Ru, α-MnO2, lithium air cell, free-standing electrode, electrochemical performance.

Increasing demand for electronic devices and tools has triggered an interest in high capacity and efficiently operate batteries. Therefore, lithium-air batteries seem as an alternative promising battery technology in terms of their specific energy density when compared to commercial lithium-ion batteries.

In this thesis, two different reduction methods, thermal and chemical reduction processes utilized to produce Graphene, Graphene/Ru flexible free-standing cathodes. Because the chemical reduction process supplied a better performance compared to the thermal reduction, Graphene/Ruthenium/α-MnO2 (rGO/Ru/ α-MnO2) flexible hybrid nanocomposite cathodes prepared using this process without an addition of binder and conductive carbon. The electrochemical performances of as-produces rGO, rGO/Ru, and rGO/Ru/ α-MnO2 cathodes performed and the contribution of Ru and α-MnO2 catalyst were determined. Surface morphologies of the rGO, rGO/Ru, and rGO/Ru/α-MnO2 air-breathing cathodes were characterized using FESEM and TEM analysis. The elemental composition of the cathodes and distribution of the α-MnO2 and Ru catalysts were investigated using EDS and EDS-mapping, respectively. Phase structures of the cathodes were determined using Raman spectroscopy and XRD. Electrochemical performances of the cathodes were carried out using CV, EIS, galvanostatic charge-discharge, and electrochemical cycling tests. As a result, well-assembled α-MnO2 nanowire supported and ruthenium nanoparticles loaded graphene hybrid nanocomposite was obtained, and a successful reduction on the OER and dramatic increase on the ORR were observed with the help of ruthenium and α-MnO2 catalysts. It is reported that the rGO/Ru/α-MnO2 cathodes showed 2225 mAh/g while rGO/Ru demonstrated only 1670 mAh/g full discharge capacities. On the other hand, rGO/Ru/α-MnO2 exhibited 650 mAh/g stable discharge capacity up to 50 cycles due to the increment on the reversible Li2O2 formation kinetics with the synergistic effect of Ruthenium and α-MnO2 catalysts.