Elektrikli araç bataryaları için kobalt içermeyen lityumca zengin li-iyon pil katot aktif malzemesi (Li1,2NixMnyAl0,8-x-yO2) geliştirilmesi ve karakterizasyonu

Abstract

Doğal enerji kaynaklarının hızla azalması, yenilenebilir enerji kaynaklarını ve elektrikli araçların önemini her geçen gün artırmaktadır. Bu durum, yenilenebilir enerji kaynaklarının etkin bir şekilde kullanılmasını sağlayacak bataryalara olan ihtiyacı da kaçınılmaz bir şekilde artırmıştır. Lityum iyon piller, yüksek enerji yoğunluğu, küçük boyutları ve hafiflikleriyle öne çıkmaktadır. Bu nedenle tüketici elektroniği ve savunma sanayinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Öte yandan, yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin depolanmasında ve elektrikli araçların yaygınlaşmasıyla birlikte otomotiv sektöründe de lityum iyon pillerin kullanımı büyük bir ivme kazanmıştır. Bu gelişmeler sonucunda, lityum iyon pil teknolojisine olan talep katlanarak artmıştır. Özellikle elektrikli araçların menzilini artırmak için yüksek enerjili katot malzemelerine olan ihtiyaç giderek artmaktadır. Yüksek kapasiteye (>220 mAsa/g) ve enerji yoğunluğuna sahip katot aktif malzemesi olarak lityumca zengin nikel kobalt mangan oksit (LR-NMC) katot aktif malzemeleri, elektrikli araçlarda kullanılacak yeni nesil katot malzemeleri içerisinde en güçlü adaylardan biri olarak öne çıkmaktadır. Bununla birlikte, bu malzemelerin ticari olarak kullanıma sunulabilmesi için bazı kritik problemlerin çözülmesi gerekmektedir. Voltaj düşüşü, düşük çevrim ömrü ve zayıf C-hızı (C-rate) performansı gibi sorunlar, bu malzemelerin yaygınlaşmasının önündeki en büyük engellerdir. Buna ek olarak, daha çevreci ve maliyet etkin katot aktif malzemeleri geliştirilmesi için de çalışmalar son yıllarda hız kazanmıştır. Çevreye ve insan sağlığına zararlı, yüksek maliyetli, madenciliği esnasında çocuk işçilerin çalıştırıldığı kobaltın NMC bazlı katot aktif malzemelerinden tamamen çıkarılması; dünyaya saygılı, düşük maliyetli lityum iyon piller için büyük önem arz etmektedir. Bu tez, elektrikli araçların menzilini artırmayı hedefleyen, yüksek enerji yoğunluğuna sahip, düşük maliyetli ve çevreci lityum iyon pil katot aktif malzemesi kompozisyonu geliştirmeyi amaçlamaktadır. Bunun yanı sıra, bu malzemenin yüksek akım (C-hızı) dayanıklılığı, uzun çevrim ömrü, düşük maliyet, güvenlik ve çevre dostu olma gibi önemli kriterleri de asgari düzeyde karşılaması hedeflenmektedir. Bu çalışmanın temel hipotezi, LR-NMC katot aktif malzemelerindeki yüksek maliyetli ve çevreye zararlı Co elementi yerine Al kullanılarak geliştirilen lityumca zengin nikel mangan aluminyum oksit (LR-NMA) katot malzemeleri ile, kapasiteden büyük bir kayıp vermeden LR-NMC katot malzemelerine benzer veya daha üstün çevrim ömrü ve C-hızı performansı elde edilebileceğidir.