İkincil lityum iyon piller için çift aktif malzemeli katotların geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and chracterization of dual active material cathodes for secondary lithium ion batteries
Yazar: EZGİ YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. ÖNCÜ AKYILDIZ
Hitit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Malzemeler ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Lityum iyon pillerin ana bileşenlerinden olan katot aktif malzemelerden elektrikli araç teknolojileri, tüketici elektroniği vb. gibi uygulamalarda istenen performans (enerji yoğunluğu, güç yoğunluğu, güvenlik ve fiyat) elde edilememektedir. Bu nedenle katot aktif malzeme gruplarının her birinin nano yapılandırma, katkılama, yüzey modifikasyonu gibi tekniklerle performanslarının iyileştirilmesine yönelik sayısız çalışma yürütülmektedir. Performans iyileştirmeye yönelik nispeten yeni stratejilerden biri de farklı gruplardan iki veya üç malzemeyi fiziksel karıştırma ile harmanlayarak, bu malzeme gruplarının her birinin avantajlarını dengeleyen, üstün özellikli elektrotlar üretmektir. Harmanlama yoluyla ana malzemelerin eksiklikleri en aza indirilebilir ve ortaya çıkan harman, daha yüksek kararlılık ve daha düşük maliyetle daha yüksek enerji veya güç yoğunluğuna sahip olacak şekilde ayarlanabilir. Bu motivasyonla hazırlanan tez kapsamında, katmanlı oksit (Li[Ni0,5Mn0,3Co0,2]O2, NMC) ve fosfo-olivin (LiFePO4, LFP) yapıdaki katot aktif malzemelerin farklı oranlarda harmanlanması yoluyla kompozit katotların üretimi gerçekleştirilmiş ve bu katotlara sahip CR2032 tipinde lityum iyon pillerin elektrokimyasal performansları araştırılmıştır. Katot bileşimine bağlı olarak özelliklerin belirlenmesi için şarj-deşarj hızı performansı, döngü performansı, döngüsel voltametri ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan testlerde yüksek deşarj hızlarda (> 2C) ağırlıkça %20 LFP içeren elektrotun diğer elektrotlara göre belirgin şekilde daha yüksek deşarj kapasitesi verdiği gözlemlenmiştir. 1C hızında yapılan döngü performansı testlerinde ise harman elektrotların artan LFP içeriği ile 100 döngü sonrası kapasite korunumlarını arttırdıkları gözlemlenmiştir. Döngüsel voltametri analizlerinde LFP oranı ~%20 olduğunda demir ve nikel iyonlarının redoks tepe noktası akım şiddetlerinin aynı değeri aldığı, bu değerden sonra büyüklük sıralamasının değiştiği gözlemlenmiştir. Nyquist eğrilerine bakıldığında ise taze kapatılmış pillerde %20 LFP'ye kadar düşük iç direnç gözlemlenirken, tüm elektrotlarda artan döngü sayısına bağlı olarak yüzey direncinde bir artış gözlemlenmiştir. Bulgular değerlendirildiğinde yüksek enerji yoğunluğu ve çevrim ömrü istenilen uygulamalar için %80NMC+%20LFP harman elektrotun en iyi bileşim olduğu sonucuna varılmıştır. Bu değerin gözenekli elektrodu oluşturan parçacıkların boyut ve şekil dağılımlarına göre değişebileceği göz önünde bulundurulmalıdır.

Abstract:
Cathode active materials, one of the main components of lithium ion batteries, are still unable to deliver the performance (energy intensity, power intensity, security and price) required by many applications. For this reason, numerous studies are carried out to improve the performance of each of the cathode active material groups with techniques such as nano configuration, doping and surface modification. One of the relatively new strategies for performance improvement is to blend two or three materials from different groups with physical mixing and produce superior electrodes that balance the avanlages of each of these material groups. Through blending, the deficiencies of the main materials can be minimized and the resulting blend can be tailored to have higher energy or power density with higher stability at a lower cost. In this dissertation, prepared with this motivation, composite cathodes were produced by blending layered oxide (Li[Ni0,5Mn0,3Co0,2]O2, NMC) and phospho-olivine (LiFePO4, LFP) active materials in different proportions and the electrochemical performance of the CR2032 type batteries having these composite cathodes were investigated. To determine the electrochamical properties depending on the cathode composition rate performance, cycle performance, cyclic voltmetry and electrochemical impedance spectroscopy measurements were performed. It was observed that the blended electrode containing 20% LFP shows significantly higher discharge capacity at high discharge rates (> 2C) compared to other electrodes. It was also observed that the capacity retention of the blended electrodes increased with increased amount of LFP after 100 cycles at 1C. In cyclic voltmetry, it was observed that, at about 20% LFP the redox peak intensities of iron and nickel ions have similar values. When the Nyquist curves were examined, lowering of internal resistance up to 20% LFP addition was observed in freshly batteries, while an increase in interface resistance was observed with the increase in the number of cycles for all electrodes. It was concluded that 80%NMC+20%LFP blended electrode is the best composition for the applications that require high energy density with high cycle life. It should be noted that this value may vary for different size and shape distributions of the particles that make up the porous electrode.