Lityum-iyon piller için yüksek performanslı anot malzemesi olarak kalay oksit-indirgenmiş grafen oksit kompozitlerinin geliştirilmesi ve karakterizasyonu

Abstract

Gelişen teknolojiler ve bu paralelde ivmelenerek artan enerji ihtiyacı, enerji depolama sistemlerinin verimliliği ve uzun ömürlü kullanım gereksinimini her geçen gün daha kritik bir noktaya taşımaktadır. Taşınabilir elektronik cihazlardan elektrikli taşıtlara, yenilenebilir enerji sistemlerinden çeşitli endüstriyel uygulamalara kadar uzanan alanlarda, yüksek enerji potansiyeline sahip, hafif, düşük maliyetli ve dayanıklı yapıların kullanımı ön plana çıkmaktadır. Lityum-iyon piller, sahip oldukları yüksek enerji yoğunluğu, geniş çalışma gerilimi aralığı, uzun döngü ömrü benzeri önemli avantajları nedeniyle enerji depolama alanında en sık tercih edilen sistemlerden biri haline gelmiştir. Bu avantajlarına rağmen, günlük yaşamdaki kullanımlarında performanslarında geliştirmeye açık alanlar bulunan lityum-iyon pillerde elektrot malzemelerinde, özellikle de anot yapısında iyileştirici düzenlemelere gidilmesi bir zorunluluk haline gelmiştir. Günümüzde ticari pillerde kullanılan grafit bazlı anot malzemeleri artan enerji ihtiyacı karşısında 372 mAh/g teorik kapasitesi ile yetersiz kaldığından, daha yüksek kapasite sunabilen, döngü dayanımı yüksek ve yapısal olarak kararlı yeni nesil anot malzemelerinin geliştirilmesine yönelik çalışmalar yoğunluk kazanılmıştır. Bu bağlamda, grafit malzemesinin yaklaşık iki katı teorik kapasite sunan (782 mAh/g) kalay oksit (SnO₂) önemli bir alternatif olarak göze çarpmaktadır. Ne var ki, kalay oksit sahip olduğu yüksek kapasite potansiyeline rağmen, döngüler sırasında meydana gelen hacimsel genleşme sebebiyle yapısal bozulmaya uğrayabilmekte ve bu da zamanla elektrotun aktifliğini kaybetmesine yol açmaktadır. Bu bilgiler doğrultusunda, literatürde kalay oksit anotların yapısal kararsızlığı ve hacim değişimi gibi dezavantajlarının karbon bazlı malzemelerle kompozit yapılar oluşturularak minimize edilebileceği ifade edilmektedir. Bu yaklaşım, kalay oksitin yüksek teorik kapasitesi ile grafenin üstün iletkenlik ve mekanik dayanım özelliklerinin kombinasyonunun, pil performansını olumlu yönde etkileyebileceği yönünde bir varsayım ortaya koymaktadır. Bu tez çalışması kapsamında, farklı oranlarda kalay oksit ve indirgenmiş grafen oksit (rGO) kompozit yapıları hidrotermal yöntem ile sentezlenmiş ve sentez başarıları XRD, SEM ve TGA karakterizasyon teknikleriyle doğrulanmıştır. XRD analizleri ile kompozit yapının kristal ve amorf özellikleri tespit edilmiş; SEM görüntülemelerinde rGO levhalarının SnO₂ partikülleri ile homojen biçimde dağıldığı gözlemlenmiştir. Ek olarak yapılan TGA analizleri kompozitlerdeki karbon içeriğinin nicel olarak belirlenmesini sağlayarak sentez başarısının ölçülmesine katkıda bulunmuştur. xxiKalay ve grafen oranının pil performansı üzerindeki etkisinin gözlemlenmesi amacıyla numunelerin elektrokimyasal performans analizleri, galvanostatik şarj-deşarj testleri, elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ve çevrimsel voltametri (CV) araçları ile gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen elektrokimyasal analizler sonucunda, indirgenmiş grafen oksit içeriğinin artırıldığı kompozitlerde aktif kalay oksit miktarının azalmasına bağlı olarak pil kapasitesinin azaldığı belirlenirken; düşük indirgenmiş grafen oksit içerikli kompozitlerde hacimsel genleşmenin etkin bir biçimde tamponlanamaması nedeniyle yapısal bozulmaların arttığı tespit edilmiştir. Farklı oranlarda hazırlanan numunelere ait çevrimsel voltametri (CV) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) verileri, şarj-deşarj test sonuçlarıyla tutarlı bir şekilde değerlendirilmiş; bu kapsamda, SnO₂/rGO = 1/2 oranına sahip kompozitin ilk döngüde en yüksek kapasiteyi sergilediği, SnO₂/rGO = 1 oranlı kompozitin ise 40 döngü sonunda en düşük kapasite kaybına sahip kompozit olarak öne çıktığı belirlenmiştir. Ek olarak, bu tez çalışması kapsamında ilk döngüde kaybedilen lityum iyonlarını telafi edebilmek amacıyla kompozit numunelere ön lityumlama işlemi uygulanmış ve bu işlemin elektrokimyasal performans üzerindeki etkileri incelenmiştir. Elde edilen bulgular, ön lityumlama uygulanmış numunelerin, aynı bileşim oranına sahip özdeş numunelere kıyasla daha yüksek performans sergilediğini ortaya koymuştur. Bu çerçevede, SnO₂/rGO = 1 oranına sahip kompozit numune, ön lityumlama sonrasında hem ilk döngüde hem de 40 döngü sonunda ulaştığı kapasite değerleriyle bu etkinin en belirgin şekilde gözlemlendiği örnek olmuştur. Elde edilen sonuçlar, ön lityumlama işleminin, pil döngüsünün başlangıcında oluşan katı elektrolit ara fazının (SEI) daha dengeli ve homojen bir şekilde oluşumunu destekleyerek kapasite kaybını azalttığını ve genel pil performansını olumlu yönde etkilediğini ortaya koymuştur. Elde edilen tüm bu bulgular ışığında, SnO₂/rGO kompozitlerinin uygun kalay-grafen oranlarda sentezlenmesi ve ön-lityumlama işlemiyle elektrokimyasal olarak desteklenmesi sonucunda, bu yapıların gelecekteki çalışmalar için yüksek potansiyele sahip enerji depolama sistemleri olabilecekleri tespit edilmiştir.