Grafen/kalay esaslı nanokompozitlerin lityum iyon pillerde anot malzemesi olarak kullanımının incelenmesi

Abstract

Dünya nüfusundaki artış ve sürekli gelişim içerisinde bulunan teknolojiye bağlı olarak enerji ihtiyacı da artmaktadır. Özellikle taşınabilir elektronik cihazlar, otomobiller için sürdürülebilir enerji kapsamında depolanma teknolojileri gelişmektedir. Elektrikli otomobiller, hibrit otomobiller, dizüstü bilgisayarlar ve cep telefonları gün geçtikçe yaygınlaşmakta ve şarj/deşarj süreleri de daha önemli hale gelmektedir. Tüm bu gelişmelerle birlikte çevrenin korunması da önemli olmaya devam etmektedir. Lityum iyon piller, endüstride enerji güvenilirliğini arttırarak mevcut kaynakların verimli kullanılmasını sağlamakta olup, bu alandaki çalışmalar ve yatırımlar gün geçtikçe artmaktadır. Bu nedenle, lityum iyon pilin maliyet, çevrim ömrü ve güvenlik bakımından iyileştirilmesi amacıyla, mevcut pillerin özellikleri geliştirilerek yüksek enerji yoğunluklu ve uzun çevrim sayısına sahip anot malzemeler konusunda ağırlıklı olmak üzere muhtelif çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Lityum iyon piller, sahip oldukları yüksek enerji/güç yoğunluğu, uzun ömür ve düşük maliyet gibi nedenlerle, enerji depolama sistemlerinde taşınabilir enerji kaynağı olarak tercih edilmektedir. Lityum iyon pillerin performansı, pillerde kullanılan bileşenlerin çeşidi ve verimliliğine bağlı olarak değişim göstermektedir. Pil kapasitesinin artırılması, şarj-deşarj sürelerinin verimli hale getirilmesi için anot ve katot kısımlarında çeşitli malzemeler kulanılmak suretiyle deneysel çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Lityum iyon pillerde en yaygın olarak kullanılan anot malzemesi grafendir. Silisyum (Si), kalay(Sn) gibi anot niteliğine sahip diğer bazı malzemeler ile karşılaştırıldığında, daha az spesifik kapasiteye sahip olmasına rağmen grafit, yapısal olarak daha kararlı ve uzun ömürlü olduğundan anot malzemesi olarak kullanımda tercih edilmektedir. Ancak grafitin enerji kapasitesinin oldukça sınırlı olması nedeniyle, grafitin doğrudan anot malzemesi olarak kullanılacağı lityum iyon pillerin enerji yoğunluğu, taşınabilir elektronik cihazların enerji ihtiyacını karşılayamaz nitelikte olmaktadır. Grafen ise grafitten elde edilen olağanüstü özelliklere sahip bir malzeme olup, kimyasal olarak kararlı ve yüksek elektrik iletkenliğine sahiptir. Bunun yanı sıra iyi mekanik ve ısıl iletkenlik özelliklerine sahip olması nedeniyle, kompozit anot malzeme sentezleme çalışmalarında baz elektrot olarak tercih edilmektedir. Tez çalışması kapsamında, İstanbul Teknik Üniversitesi – Enerji Enstitüsü, Malzeme Üretim ve Hazırlama Laboratuvarı'nda grafitten grafen (rGO) elde edilerek, kalay oksit katkılandırma ile farklı oranlarda grafen-kalay oksit nanokompozit anot malzemeleri üretilmiş ve pil yapımında kullanılmak suretiyle de söz konusu malzemelerin kapasiteleri incelenmiştir. Elde edilen malzemeler, taramalı elektron mikroskopu (SEM), termogravimetrik analiz (TGA) ve X-ışını difraksiyonu (XRD) yöntemleriyle karakterize edilmiştir. Ayrıca, malzemelerin pil performansını değerlendirmek amacıyla sentezlenen malzemelere şarj-deşarj kapasite ölçümü, dönüşümlü voltametri ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) yöntemleri uygulanmıştır.