Lityumca zengin nikel kobalt mangan oksit (NCM) katot üretimi ve Al2O3 yüzey modifikasyonu ile elektrokimyasal özelliklerinin geliştirilmesi

Abstract

Günümüzde teknolojinin gelişmesi sebebiyle yüksek enerji yoğunluklu yeniden şarj edilebilir bataryalara ihtiyaç vardır. Bu ihtiyaca karşılık verebilen bataryalar ise lityum iyon bataryalardır. Lityum iyon bataryalar ikincil bataryalar grubundandır bir başka deyişle yeniden şarj edilebilirler. İkincil bataryaların gravimetrik ve volumetrik enerji yoğunlukları karşılaştırıldığında, hem volumetrik hem de gravimetrik enerji yoğunluğu en yüksek olan bataryaların lityum iyon bataryalar olduğu bilinmektedir. Bunun yanında lityum iyon bataryalar diğer ikincil bataryalardan farklı olarak hafıza etkisi göstermezler. Yani tam boşalmadan tekrar şarj edildiklerinde belirgin bir kapasite kaybı olmaz. Kullanılmadıklarında ise kapasite kaybı çok az ve yavaştır. Aynı zamanda da bakım gerektirmezler ve doğaya zarar vermezler. Öte yandan, lityum iyon bataryalar aşırı şarj (overcharge) durumunda kapasite kaybetmektedir ve yüksek sıcaklıklarda bozunmaya uğramaktadır. Lityum iyon bataryalar günümüzde neredeyse bütün dünyanın kullandığı akıllı cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar, elektronik tabletler gibi tüketici elektroniklerinde, elektrikli araçlarda, telekomünikasyon cihazlarında, medikal, askeri uygulamalarda ve güneş panellerinden ve rüzgar türbinlerinden elde edilen enerjilerin yani yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin depolanmasında kullanılmaktadır. Lityum iyon bataryaların ana bileşenleri anot, katot, separatör ve elektrolittir. Anot negatif elektrot, katot pozitif elektrot, separatör elektrotlar arası levha olarak ve elektrolit ise iyon transferini sağlamak için elektrotların arasında kullanılır. Lityum iyon bataryaların çalışma prensibi genel olarak hücre içerisinde lityum iyonlarının hareketine dayanır. Lityum iyonları şarj esnasında katottan anota hareket ederken, deşarj esnasında anottan katota hareket eder. Elektronlar ise lityum iyonlarının hücre içerisinde gittiği yöne doğru dış devreden gider ve elektron yönünün tersine akım oluşturur. En bilinen anot malzemeleri karbon, kalay ve silisyum esaslı iken, katot malzemeleri katmanlı LiCoO2, spinel LiMn2O4, olivin LiFePO4, katmanlı LiNi0,8Co0,15Al0,05O2(NCA) ve katmanlı LiNiCoMnO2 (NCM)'dir. Bu katot malzemeleri arasında ise günümüzde yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmaları sebebiyle NCA ve NCM katot malzemeleri öne çıkmaktadır. Bu özelliklerinden dolayı NCA ve NCM katot malzemelerinin elektrikli araçlarda kullanılması üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. NCM katot malzemelerinin Li2MnO3 fazı ile birlikte oluşturduğu katmanlı lityumca zengin NCM katot malzemesi de yüksek ilk deşarj kapasitesi(220-300 mAh/g), yüksek voltajlarda(2V-4,8V) çalışabilmesi ve NCA-NCM katot malzemelerinden de yüksek enerji yoğunluğuna sahip olması sebebiyle son zamanlarda popüler olan katot malzemelerinden biridir. Lityumca zengin NCM katot malzemesinin olumlu özelliklerinin yanı sıra artan çevrim sayısıyla hızlı kapasite düşüşleri yaşaması gibi önemli bir sorunu vardır. Bu sorunun sebepleri, katmanlı yapının spinel yapıya dönüşmesi, ilk şarj esnasında yüksek voltajda gerçekleşen reaksiyonlar sonucunda oluşan Li2O'nun katot yapısından geri dönüşümsüz olarak elektrolite geçerek hem Li kaybına hem de elektrolitin oksitlenmesine neden olması, elektrolitte gerçekleşen reaksiyonlar sonucu HF asidinin katota hücum ederek geçiş metallerini katottan uzaklaştırması olarak sıralanmaktadır. Bu sebeplerin ortaya çıkmasını engellemek ve kapasite kayıplarını azaltmak amacıyla metal oksit yüzey modifikasyonları yapılmaktadır. Daha önce uygulanan yüzey modifikasyonları arasında umut vaat eden yüzey modifikasyonu malzemelerinden biri ise Al2O3'tür. Yapılan araştırmalarda Al2O3 yüzey modifikasyonlarının diğer metal oksit yüzey modifikasyonlarına göre hem yüksek kapasite korunumu ve hem de yüksek ilk şarj-deşarj kapasiteleri alınmasını sağladığı anlaşılmıştır. Bu çalışma kapsamında, öncelikle lityum iyon bataryaların elektrokimyasal özelliklerinin geliştirilmesi amacıyla lityumca zengin NCM (Li1,2Ni0,2Co0,08Mn0,52O2) katot malzemesinin sol-jel yöntemi ile üretilmiştir. Daha sonra lityumca zengin NCM tozuna sol-jel yöntemiyle ağırlıkça %0,5 Al2O3 yüzey modifikasyonu uygulanarak morfolojik, yapısal ve elektrokimyasal özellikleri incelenmiştir.