LİTYUM İYON PİLLERDE ANOT AKTİF MADDE OLARAK KULLANILAN Li2ZnTi3O8 BİLEŞİĞİNİN SENTEZİ VE ELEKTROKİMYASAL PERFORMANSININ ARTIRILMASI


Öğrenci: Süleyman Yıldız

Danışman: Şaban Patat

Ticari lityum iyon pillerin çoğunda yüksek voltaj değerine ulaşmak için grafit esaslı karbon anotlar kullanılmaktadır. Grafit esaslı karbon anot, düşük voltaj değerinde (Li/Li+’a karşı <0.2V) elektrot yüzeyinde katı/elektrolit ara yüz tabakasının oluşması sırasında elektron ve Li+ iyonlarının tersinmez olarak harcanması, lityumun dallı büyüyerek kısa devre ve güvenlik riski  oluşturması nedeniyle yüksek akım yoğunluğu uygulamaları için uygun değildir.

Lityum iyon pillerde en önemli problem olan güvenlik riskini ortadan kaldırmak için titanyum esaslı anot aktif maddeler ile ilgili çalışmalart yapılmaktadır. Son zamanlarda grafit anoda alternatif olarak şarj/deşarj sırasında hacim değişimi çok az, güvenli ve Li4Ti5O12 anoda göre yüksek kapasite (229 mAh g-1) ve düşük voltaj platosuna (0.7V, Li/Li+ elektroda karşı) sahip olan spinel Li2ZnTi3O8 anot aktif maddesine olan ilgi artmıştır. Ancak Li2ZnTi3O8 anot aktif maddesi, yüksek voltaj polarizasyonu ve düşük akım yoğunluğuna neden olan düşük elektronik ve iyonik iletkenliğe sahiptir. Ti esaslı anot aktif maddelerin iyonik ve elektronik iletkenliğini artırmak için tanecik boyutu küçültme, iletken madde ile kaplamai başka elementler katkılama ve yüzey modifikasyon yöntemleri kullanılmaktadır.

Bu çalışmada karbon kaynağı olarak ilk defa grafern, çok duvarlı karbon nanotüp ve PEG-4000 kullanarak katı hal metodu ile Li2ZnTi3O8/C kompoziti sentezlendi. Sentezlenen maddenin  kristal yapısı, morfolojisi ve elektrokimyasal özellikleri; X ışını toz kırınımı metodu, taramalı elektron mikroskobu, iletkenlik ve sabit akımda şarj/deşarj ölçümleri ile araştırıldı. Sabit akımda şarj/deşarj ölçümleri 0.02-3.0V aralığında oda sıcaklığında gerçekleştirildi.

Elektrokimyasal sonuçlar Li2ZnTi3O8/C kompozit anot aktif maddesinin Li2ZnTi3O8 anot maddesine göre daha yüksek spesifik kapasite ve akım yoğunluğuna sahip olduğunu göstermiştir. Araştırılan anot aktif maddeler arasında karbon kaynağı olarak grafen ve çok duvarlı karbon nanotüp kullanarak sentezlenen Li2ZnTi3O8/C kompozit anot aktif maddesinin en iyi elektrokimyasal özellik gösterdiği bulunmuştur. Li2ZnTi3O8/C kompozit anot aktif maddesinin elektrokimyasal özelliğinin iyi olması, tanecik boyutu küçülmesi ve iletkenlik artışı arasındaki sinerjik etki ile açıklanabilir.