Sodyum iyon pillerde katot aktif madde olarak kullanılan o3-Na0.90[Mn0.48Fe0.30Cu0.22]O2 maddesinin elektrokimyasal performansının ti katkılama ile artırılması
Enhancement of the electrochemical performance of ti substituted Na0.90[Mn0.48Fe0.30Cu0.22]O2 cathode active material for sodium-ion batteries
Yazar: FERHAT ŞANLI
Danışman: PROF. DR. ŞABAN PATAT
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Anorganik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Enerji depolama sistemi = Energy storage system ; Metal oksitler = Metal oxides ; Piller = Battery ; Tabakalı kompozitler = Laminated composites

Özet:
SODYUM İYON PİLLERDE KATOT AKTİF MADDE OLARAK KULLANILAN O3-Na0.90[Mn0.48Fe0.30Cu0.22]O2 MADDESİNİN ELEKTROKİMYASAL PERFORMANSININ Ti KATKILAMA İLE ARTIRILMASI

Ferhat ŞANLI

Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Doktora Tezi, Ağustos 2022
Danışman: Prof. Dr. Şaban PATAT

ÖZET

Tabakalı yapıya sahip O3-Na0.90[Mn0.48Fe0.30Cu0.22] maddesi Co/Ni içermeyen, ucuz ve kolay sentezlenebilen bir katot aktif maddedir. Ancak O3-Na0.9[Mn0.48Fe0.30Cu0.22] katot aktif maddesi havada kararsız ve şarj/deşarj sırasında kapasite kaybına uğramaktadır. Bu çalışmada O3-Na0.9[Mn0.48Fe0.30Cu0.22] maddesinin havada kararlılığı artırmak ve kapasite kaybını azaltmak için bir kısım mangan ve demir iyonu yerine Ti4+ iyonu katkılandı. O3–NaMn0.48Fe0.30Cu0.22O2, O3–Na0.90Mn0.48Fe0.30Cu0.22O2, O3-NaMn0.48Fe0.25Cu0.21Ti0.06O2 ve O3–NaMn0.40Fe0.33Cu0.21Ti0.06O2 katot aktif maddeleri birlikte çöktürme metodu ile sentezlendi. 
Sentezlenen katot aktif maddeler, X-ışınları toz kırınımı, alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu, havada kararlılık ve iletkenlik ölçümü metotları ile karakterize edildi. 
Havada kararlılık ve iletkenlik ölçüm sonuçlarına göre Ti4+ katkılı O3-NaMn0.48Fe0.25Cu0.21Ti0.06O2 ve O3–NaMn0.40Fe0.33Cu0.21Ti0.06O2 katot aktif maddelerin katkısız olan katot aktif maddelere göre havada daha kararlı ve iletkenlik değerlerinin daha yüksek olduğu bulundu. Sentezlenen katot aktif maddelerin X-ışınları toz kırınım (XRD) desenine göre O3 tipi tabakalı yapıya sahip oldukları ve safsızlık piki içermedikleri bulundu.
Elektrokimyasal ölçüm sonuçlarına göre katot aktif maddeler arasında Ti4+ katkılı O3-NaMn0.48Fe0.25Cu0.21Ti0.06O2 maddesinin 0.1C (16 mA/g) akım değerinde ve 1.5-4.05 V (Na/Na+ çiftine karşı) potansiyel aralığında deşarj kapasitesi (122.2 mAh/g) ve 56 döngüden sonrası kapasite korunumunun (%99.2) diğerlerinden daha iyi olduğu bulundu. Bütün bu sonuçlar Ti4+ katkılı O3-NaMn0.48Fe0.25Cu0.21Ti0.06O2 maddesinin ticari sodyum iyon pillerde kullanma potansiyelinin olduğunu göstermektedir.    
Anahtar Kelimeler: Sodyum iyon piller, katot aktif maddeler, tabakalı sodyum metal oksitler

Abstract:
ENHANCEMENT OF THE ELECTROCHEMİCAL PERFORMANCE OF Ti SUBSTİTUTED Na0.90[Mn0.48Fe0.30Cu0.22]O2 CATHODE ACTİVE MATERİAL FOR SODİUM-İON BATTERİES 

Ferhat ŞANLI

Erciyes University, Graduate School of Natural and Applied Sciences
Ph D. Thesis, August 2022
Supervisor: Prof. Dr. Şaban PATAT

ABSTRACT 
The Ni/Co free layered O3-Na0.9[Mn0.48Fe0.30Cu0.22] is cheap and easily synthesized cathode active material for rechargeable sodium ion batteries. However, the cathode material, O3-Na0.9[Mn0.48Fe0.30Cu0.22] is unstable in air and suffers a loss of capacity during charge/discharge. In this study, Ti4+ ions were substituted for some Mn and Fe ions in O3-Na0.9[Mn0.48Fe0.30Cu0.22] material to increase its stability of in air, to reduce capacity loss. O3–NaMn0.48Fe0.30Cu0.22O2, O3–Na0.90Mn0.48Fe0.30Cu0.22O2, Ti4+ doped O3-NaMn0.48Fe0.25Cu0.21Ti0.06O2 and Ti4+ doped O3–NaMn0.40Fe0.33Cu0.21Ti0.06O2 cathode active materials were synthesized by coprecipitation method.
The synthesized materials were characterized using X-ray diffraction, field emission scanning electron microscopy, air stability and conductivity measurements.
According to the stability in air and conductivity measurement results, it was found that Ti4+ doped O3-NaMn0.48Fe0.25Cu0.21Ti0.06O2 and O3–NaMn0.40Fe0.33Cu0.21Ti0.06O2 cathode active materials are more stable in air than undoped ones and their conductivity values higher.
X-ray diffraction data demonstrated that the synthesized cathode active materials have layered structure and they are pure.
According to the results of the electrochemical measurement, Ti4+ doped O3-NaMn0.48Fe0.25Cu0.21Ti0.06O2 material among the cathode active materials synthesized, has higher discharge capacity (122.6 mAh/g) at a current value of 0.1C (16 mA/g) and capacity retention (99.2%) after 56 charge/discharge cycles at 0.5C and a potential range of 1.5-4.05 V (vs Na/Na+). All these results show that Ti4+ doped O3-NaMn0.48Fe0.25Cu0.21Ti0.06O2 cathode material has the potential to be used in commercial sodium ion batteries.
Keywords: Sodium ion batteries, Cathode active material, Layered sodium metal oxide