Lityum İyon Pilleri İçin Elektron Demeti İle Fiziksel Buhar Biriktirme (ebpvd) Yöntemi Kullanılarak İnce Film Anot Malzemesi Üretimi Ve Karakterizasyonu

Abstract

Lityum iyon pilleri uzun kullanım ve raf ömrü, geniş kullanım sıcaklık aralığı, hızlı şarj edilebilirlik, yüksek enerji verimliliği gibi özellikleriyle son zamanlarda öne çıkan güç kaynaklarındandır. Lityum iyon pilleri, elektronik cihazların sürekli olarak küçülmesi sebebiyle mikro güç kaynaklarına olan ihtiyacı karşılayabilecek özelliklere sahiptir. Ancak lityum metalinin ergime sıcaklığının düşük olması (181 ⁰C) ve çok reaktif bir malzeme olması sebebiyle anot malzemesi olarak üretilmesi zordur. Bu nedenle lityum iyon pillerinde alternatif anot malzemelerinin kullanılması araştırma konusudur. Bu alternatif anot malzemeleri arasında Sn, SnO2, Sn-bazlı sistemler öne çıkmaktadır. Çünkü kalay, lityum ile kolay ve tersinir olarak reaksiyona girebilmekte ve oldukça yüksek gravimetrik ve hacimsel teorik kapasiteye ulaşmaktadır. Ancak saf kalay oldukça aktif olduğundan, şarj/deşarj olayı sırasında hacim genleşmesine sebep olmaktadır. Bu durum pil ömrünün azalmasına neden olur. Bunun önüne geçebilmek için Li-Sn sistemine Ag eklemek ve anot malzemesini gözenekli ince film olarak üretmek mümkündür. Bu çalışmada, Li-iyon pillerinde anot malzemesi olarak kullanılmak üzere Sn, SnO2 ve Ag katkılı Sn-Ag malzemeleri elektron demeti ile fiziksel buharlaştırma (EB PVD) yöntemi ile Cu altlık malzeme üzerinde biriktirilerek düzenli nano gözenekli ve gözeneksiz ince film olarak üretilmiştir. Ag katkılı Sn-Ag sisteminde, Ag3Sn intermetalik bileşiği oluşturulmuştur. Üretilen ince film anot malzemelerinin yüzey morfolojisi, kimyasal kompozisyonu ve kristal yapısı sırası ile, SEM, EDS ve XRD cihazları ile karakterize edilmiştir.

Li-ion batteries are the most studied power sources because of the properties of long cycle and shelf life, broad temperature range of operation, rapid charge capability and high coulombic and energy efficiency. The continuous miniaturization of electronic devices has led to the growing demands of micro power sources. Lithium ion batteries have the properties of satisfying the demand for thin power sources. However, it is difficult to produce lithium metal as an anode material because it has low melting point (181⁰C) and it is highly reactive with air. For this reason, alternative anode materials are investigated. Sn, SnO2 and Sn-based systems are the most attractive anodes among alternative anode materials since tin is easily and reversibly alloys with Li atoms and it has high gravimetric and volumetric specific theoretical capacities. However, it will be the volume expansion during the charge/discharge process because pure tin is highly reactive. Therefore, battery cycle life will be shorter. To prevent this volume expansion it is possible to dop Ag in the Sn-Li system and to produce anode material as a porous thin film. In this study, Sn, SnO2, Ag-Sn materials were deposited on the Cu substrate as nanoporous and nonporous thin film anodes by electron beam evaporator for lithium ion batteries. It was achieved that Ag3Sn intermetallic phase in the Sn-Ag system by dopping Ag. To characterize of the surface morphology, chemical composition and crystal structure of thin film anodes, SEM, EDS and XRD analyses were used respectively.