Enerji depolama için grafen tabanlı üç boyutlu elektrot malzeme uygulamaları

Gelişen teknoloji ve artan nüfus nedeniyle enerji depolamanın önemi her geçen gün artmaktadır. Dünyadaki mevcut neslin elektrokimyasal enerji depolama, artan çevresel kaygılar ve yaşam döngüsü değerlendirmesi gibi birçok alanda çeşitli araştırma türleri planlanmaktadır. Sürdürülebilir bir teknolojiye enerji geçişinin başarılı olması için, depolama teknolojisinde önemli ilerleme sağlanması şarttır. Lityum-iyon piller, elektrikli araçlarda ve enerji depolamada yaygın olarak kullanılan elektrokimyasal enerji depolama ve dönüştürme açısından sınırsız potansiyel göstermiştir. Li- iyon piller, diğer şarj edilebilir pil sistemlerine kıyasla yüksek enerji yoğunlukları ve uzun ömürleri sayesinde hızla büyümeye devam etmektedir. Bugüne kadar, çeşitli katot malzemeleri, lityum iyon pillerdeki yapısal evrimleri ve elektrokimyasal karmaşıklıkları nedeniyle geniş ilgi görmüştür. Bunlar arasında, yüksek nikel katot malzemeleri, yüksek enerji yoğunluğuna ve yüksek çalışma voltajına sahip piller üretmek için umut verici bir aday olarak kabul edilmektedir. Yüksek nikel içeriğine sahip olan LiNixCoyMnzO2 (NMC) ve LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCA) katmanlı metal oksitler gelişmiş yapısal kararlılıkları ve elektrokimyasal özellikleri nedeniyle geleneksel LiNiO2'den daha fazla dikkat çekmektedir. Elektrikli arabalar için kobalt kullanımının rezervlerinin tükenmesine yol açabileceğine dair bir endişe vardır. Son dönemde ise kobalt fiyatlarının beklenmedik küresel gelişmelerden büyük ölçüde etkilendiği gözlemlenmiştir. Önde gelen pil üreticileri, katot malzemelerindeki kobalt bağımlılığını ortadan kaldırarak üretim maliyetlerini daha da düşürmeye çalışmaktadır. Bu nedenle kobalt yerine kullanılabilecek alternatif malzemeler aranmaktadır. Nikel bakımından zengin (%80), yüksek kapasite sağlaması ve nikelin bir kısmını benzer iyonik yarıçapa sahip küçük miktarlarda alüminyum ve manganez ile değiştirmesi nedeniyle daha iyi yapısal stabilite, daha fazla güvenlik ve daha iyi çevrim ömrüne yol açacaktır. Al'ın yapısal kararlılığı arttırdığı ve Ni, Mn ve Co'nun çeşitli kombinasyonlarının aynı anda termal ve elektrokimyasal özellikleri optimize etmek için kullanılabileceği belirtilmiştir. Ayrıca, Mn, Co'ya kıyasla bol miktarda bulunur ve çevreye zarar vermez. Bu nedenle eğilim, tabakalı yapılardaki Ni içeriğini aşamalı olarak artırmak ve Co içeriğini yok etmektir, böylece maliyet düşerken kapasite artırılabilir. Bu nedenle yüksek Ni katmanlı oksitlerde Mn ve Al'in doğal bir kombinasyonunun iyi bir bileşik olduğu düşünülmektedir. Burada, yeni nesil Li-iyon pillerin geliştirilmesi için genel formül LiNixMnyAlzO2 (x ≥ 0.8, x + y + z = 1) ile nikel açısından zengin, kobalt içermeyen Li-iyon pil katot malzemesinin yeni bir sınıfı sunulmaktadır. Bu yeni kobalt içermeyen NMA katotları, manganez ve alüminyumun sağladığı yapısal stabilite ve güvenlik avantajlarını ve nikelin sunduğu yüksek kapasiteyi korurken, maliyeti düşürür ve kapasiteyi artırır. Bunu yaparken, NCA ve NMC katotlarının avantajları, kobalta başvurmadan LiNixMnyAlzO2 derecesine aktarılabilir. LiNixMnyAlzO2 malzemelerinin kapasiteleri ve çalışma voltajı NMC-811 ve NCA'ya benzemekte, ancak pahalı kobaltın ucuz manganez ve alüminyum ile değiştirilmesi nedeniyle malzeme maliyeti önemli ölçüde düşük olacaktır. Nano boyutlu tabakalı Ni bakımından zengin, mükemmel hız performansı, yüksek potansiyeli, düşük maliyeti, düşük toksisitesi ve yüksek güvenliği nedeniyle özellikle dikkat çekmektedir. Mikro boyutlu ile nano boyutlu tabakalı oksit malzemeler karşılaştırıldığında, parçacık boyutundaki azalma, Li+ iyonlarının ve parçacıklar içindeki elektronların difüzyon mesafeleri kısaldığından, Li+ iyonlarının interkalasayon/deinterkalasyon oranında önemli bir artışa yol açmaktadır. Parçacık boyutundaki azalma ayrıca elektrolit ile daha büyük bir temas alanı ve arayüz boyunca daha büyük bir Li+ akışına izin veren daha büyük bir yüzey alanı ile sonuçlanır. Ek olarak, Ni bakımından zengin katmanlı katot malzemelerinin zayıf iletkenliği ve nanopartiküllerin toplanma eğilimi göz önüne alındığında, yük transferini teşvik etmek ve aktif malzemeleri desteklemek için iletken substratlara oldukça ihtiyaç vardır. Grafen aerojel (GA), makro gözenekli mimarisi, yüksek elektriksel iletkenliği ve iyi mekanik stabilitesi dahil olmak üzere grafen levhaların ilginç özelliklerinin üç boyutlu (3B) birbirine bağlı bir çerçevesine sahiptir. Birbirine kenetlenen üç boyutlu makro gözenekli iletken yapı, hem Li+ hem de elektronların hızlı difüzyonunu kolaylaştırabilir, elektrolit depolamasını iyileştirebilir, Li+'nın taşıma yolunu zenginleştirebilir ve elektrot kapasitesini ve tersine çevrilebilirliği artırabilir. Ayrıca, grafen ile iç içe geçen üç boyutlu iletken ağ, elektron transferini büyük ölçüde hızlandırır, bu da lityum iyon pillerin hız kapasitesini daha da artırmak için faydalıdır. Bu tezde Ni bakımından zengin LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (NMC-811), NCA ve kobalt içermeyen LiNi0.8Mn0.15Al0.05O2 (NMA) sol-jel yöntemi ile üretilmiştir. Üretilen Ni bakımından zengin tabakalı yapıların iletkenliklerini, pratik enerji yoğunluğunu ve performans kabiliyetini artırmak için 3B GA ile kendiliğinden oluşan ve L-askorbik asit indirgeme işlemi ile takviye yaparak oluşturulan kompozit yapılar (NMC-811/GA , NCA/GA , NMA/GA) üretilmiştir. Kolay bir dondurarak kurutma yaklaşımıyla, aktif malzemeler nanoparçacıkları GA üzerinde düzgün bir şekilde dağıtılmış ve GA sayesinde yapıyı ve iletkenliği önemli ölçüde iyileştirerek güçlü ve iletken bir çerçeve oluşturmuştur. 3 boyutlu yapısı sayesinde kompozit yapının geniş özgül yüzeyini arttırır ve katot ile elektrolitin temas yüzeyini genişletmiştir. Oluşturulan malzemelerin yapısal karakterizasyonunu incelemek için, X-ışını kırınımı (XRD), Raman spektroskopisi, Fourier dönüşümü kızılötesi spektrumları (FT-IR) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) gibi tekniklerle katotların karakterizasyon verileri tartışılmıştır. Alan, emisyon taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM) ile ve GA'lar arasında homojen bir şekilde dağıldığını açıkça göstermiştir. Ayrıca, dispersiyon mekanizmalarını belirlemek için transmisyon elektron mikroskobu (TEM) kullanılarak kompozit yapıları incelenmiştir. Elektrokimyasal döngü performansı testi, hız kapasitansı, döngüsel voltametri (CV) ve elektro-kimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ile değerlendirilmiştir. Elektrokimyasal testlerin sonuçlarına göre, GA sayesinde gözenekli yapısı ile iletken bir ağ oluşturmuş, yüzeyde koruyucu bir tabaka oluşturmuş, katot ile elektrolit arasındaki yan reaksiyonları engellemiş, katodun empedansını düşürmüş ve redoks kinetiğini arttırmıştır. Ayrıca 50., 250. ve 500. döngü sonunda XRD, FE-SEM ve Raman analizleri ile kompozitlerin katot ile yapıdaki değişimler incelenmiştir. Sonuçlara göre, üretile kompozitlerin 3 boyutlu gözenekli yapısının Li+ iyonlarının hareketliliğini kolaylaştırdığı ve GA'nın elektrik iletkenliğinin yanı sıra artan kusurlar nedeniyle katotların mükemmel elektrokimyasal performanslarının iyileştirildiği gözlemlenmiştir. Tam hücre oluşturmak için kullanılan Silisyum nanopartiküller, stober yöntemiyle üretilen SiO2 ler ile magnezotermik indirgeme yöntemi uygulayarak üretilmiştir. Daha sonra L-askorbik asit kullanılarak basit bir tek adımlı dondurarak kurutma işlemiyle hazırlanan üç boyutlu GA formunda elde edilmiştir. Silisyum /grafen aerojel (Si/GA) nanokompoziti XRD, FE-SEM, TEM ve XPS ile incelenmiştir. Si/GA nanokompozit, 500. döngüden sonra 550 mAh g-1'lik üstün kapasite göstermektedir. Si/GA anotları, saf Si ile karşılaştırıldığında çevrim stabilitesinde gelişme göstermiştir.