İkincil lityum iyon piller için çift aktif malzemeli katotların geliştirilmesi ve karakterizasyonu

Lityum iyon pillerin ana bileşenlerinden olan katot aktif malzemelerden elektrikli araç teknolojileri, tüketici elektroniği vb. gibi uygulamalarda istenen performans (enerji yoğunluğu, güç yoğunluğu, güvenlik ve fiyat) elde edilememektedir. Bu nedenle katot aktif malzeme gruplarının her birinin nano yapılandırma, katkılama, yüzey modifikasyonu gibi tekniklerle performanslarının iyileştirilmesine yönelik sayısız çalışma yürütülmektedir. Performans iyileştirmeye yönelik nispeten yeni stratejilerden biri de farklı gruplardan iki veya üç malzemeyi fiziksel karıştırma ile harmanlayarak, bu malzeme gruplarının her birinin avantajlarını dengeleyen, üstün özellikli elektrotlar üretmektir. Harmanlama yoluyla ana malzemelerin eksiklikleri en aza indirilebilir ve ortaya çıkan harman, daha yüksek kararlılık ve daha düşük maliyetle daha yüksek enerji veya güç yoğunluğuna sahip olacak şekilde ayarlanabilir. Bu motivasyonla hazırlanan tez kapsamında, katmanlı oksit (Li[Ni0,5Mn0,3Co0,2]O2, NMC) ve fosfo-olivin (LiFePO4, LFP) yapıdaki katot aktif malzemelerin farklı oranlarda harmanlanması yoluyla kompozit katotların üretimi gerçekleştirilmiş ve bu katotlara sahip CR2032 tipinde lityum iyon pillerin elektrokimyasal performansları araştırılmıştır. Katot bileşimine bağlı olarak özelliklerin belirlenmesi için şarj-deşarj hızı performansı, döngü performansı, döngüsel voltametri ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan testlerde yüksek deşarj hızlarda (> 2C) ağırlıkça %20 LFP içeren elektrotun diğer elektrotlara göre belirgin şekilde daha yüksek deşarj kapasitesi verdiği gözlemlenmiştir. 1C hızında yapılan döngü performansı testlerinde ise harman elektrotların artan LFP içeriği ile 100 döngü sonrası kapasite korunumlarını arttırdıkları gözlemlenmiştir. Döngüsel voltametri analizlerinde LFP oranı ~%20 olduğunda demir ve nikel iyonlarının redoks tepe noktası akım şiddetlerinin aynı değeri aldığı, bu değerden sonra büyüklük sıralamasının değiştiği gözlemlenmiştir. Nyquist eğrilerine bakıldığında ise taze kapatılmış pillerde %20 LFP'ye kadar düşük iç direnç gözlemlenirken, tüm elektrotlarda artan döngü sayısına bağlı olarak yüzey direncinde bir artış gözlemlenmiştir. Bulgular değerlendirildiğinde yüksek enerji yoğunluğu ve çevrim ömrü istenilen uygulamalar için %80NMC+%20LFP harman elektrotun en iyi bileşim olduğu sonucuna varılmıştır. Bu değerin gözenekli elektrodu oluşturan parçacıkların boyut ve şekil dağılımlarına göre değişebileceği göz önünde bulundurulmalıdır.