Lityum-iyon pili uygulamaları için karbon esaslı elektrod malzemelerin geliştirilmesi

Abstract

Lityum iyon bataryalar, günümüz taşınabilir elektronik cihazların ve ilerinin elektrikli arabalarının enerji kaynakları olarak büyük ilgi görmektedirler. Hızlı şarj edilebilme, yüksek enerji depolama kapasitesi gibi özellikleri, kullanılan anot malzemesiyle direk ilintili olup, üstün özellikli anot malzemelerin kolay ve ucuz sentezi, günümüz elektronik cihazların etkinliğini ve elektrikli arabalar gibi bir üst düzey enerji sınıfı araçlarında kullanılabilirliğini arttıracaktır. Anot malzemesi olarak günümüzde en yaygın kullanılan malzeme grafittir. Grafit, uzun kullanım ömrü ve elektriksel iletkenliği ile avantajlı durumda olsa da sınırlı yüzey alanı ve kapasitesinden dolayı istenilen enerji değerini yakalayabilmek ancak birçok sayıdaki pilin seri bağlanması ile elde edilebilmektedir. Maliyetin ve toplam hacmin büyümesini önlemek için yüksek yüzey alanı/hacim oranına sahip, Li tutma kapasitesi yüksek malzemeler tercih edilmektedir. Bu bağlamda grafitin tek katmanı olarak tanımlanan grafen, yüksek yüzey alanı/hacim oranı, mekanik ve kimyasal dayanıklılığı; silisyum ise, yüksek lityum depolama kapasitesi ile oldukça dikkat çekmektedir. Öte yandan depolama sırasındaki yüksek hacim değişimleri, şarj ve deşarj esnasında anot ile bataryanın diğer elemanları arasındaki bağlantının kopmasına ve bataryanın çalışamamasına yol açmaktadır. Bu çalışmada amaç, tek aşamada, içerisinde homojen olarak dağılmış Si atomları bulunduran grafen yapıları elde etmek için özgün bir metot geliştirmektir. Böylesi yapıları elde etmek için, süreç olarak SiC tozların vakum dekompozisyonu seçilmiştir. Fakat dekompozisyon için gerekli yüksek sıcaklık ve yüksek vakum değerleri toz parçacıkların topaklanmasına yol açmaktadır. Bu yüzden, çalışmada aşılması gereken engellerden biri de dekompozisyon için gerekli yüksek sıcaklık değerini düşürmektir. Bu sebeple, öncelikle SiC tek kristal alttaşları ile dekompozisyon mekanizmasının ayrıntılı olarak incelenebilmesi ve bu teknolojinin SiC tozlarına uygulanması amaçlanmaktadır. Nihai amaç, Li-iyon bataryaların anotlarında kullanılma potansiyeline sahip, Si / grafen yapıları oluşturmaktır. Bu amaçla, SiC tek kristal alttaşları ile farklı hidrojen ve vakum tavlama süreleri sistematik olarak çalışılmış, oluşturulan yapılar incelenmiştir. Daha sonra burada elde edilen bilgiler ışığında SiC tozları ile deneyler gerçekleştirilmiş, oluşturulan yapılar tartışılmıştır.

Lithium ion batteries are drawing attention as the energy source of today's electronic devices and tomorrow's electric vehicles. Properties like quick charging, high energy storage capacity is directly linked to anode material. Low cost and easy synthesis of anode materials with superior qualities will improve the efficiency of everyday electronic devices and the electric vehicles. Currently, graphite is the most common anode material. Although graphite is advantageous with its durability and electrical conductivity, because of its limited surface area and energy storage capacity, the requested power can only be supplied with the coupling of several batteries in series. To prevent the increase in total cost and volume, materials with high surface area/volume ratio and with higher Li storage capacity should be used. To this end, graphene which is described as a single layer of graphite, with its high surface area/volume ratio, mechanical and chemical resistance and silicon, with its high Li storage capacity catch attention. On the other hand, volume change of silicon that occurs during charging and discharging, breaks the bond within the battery parts and causes to malfunction. The purpose of this study is to develop an authentic, single-step method to synthesize graphene sheets which have homogeneously distributed Si atoms. To synthesize such structures, vacuum decomposition of SiC powder is selected. However the needed high temperature for the vacuum decomposition of SiC causes particles to agglomerate. Therefore, reducing the temperature for decomposition is one of the challenges of this work. For this reason, first aim of the study is to understand the mechanism of vacuum decomposition of SiC, using single crystal wafers, and then, to apply the technology to SiC powders. The ultimate goal is to synthesize Si / graphene structures with the potential of using as anode material at lithium ion batteries. To understand the mechanism of decomposition and the effects of variables in the system, two sets of experiments are carried out, and the formed structures are characterized. Then, the knowledge gained from the SiC single crystals are applied to SiC powders and the results are discussed.