Modifiye edilmiş grafitin lityum iyon pillerde anot malzemesi olarak kullanımının incelenmesi

Gelişmekte olan teknoloji ile enerjiye olan ihtiyaç her geçen gün artmakta ve taşınabilir elektrikli cihazlarla birlikte enerjinin düşük hacimde ve ağırlıkta depolanması için yeni sistemler tasarlanmaktadır. Günlük yaşamımızda dizüstü bilgisayarlar, tabletler, cep telefonları giderek vazgeçilmez birer parça haline gelmekte ve uzun süren şarj/deşarj çevrimleri bu cihazlar için en önemli parametre olarak görülmektedir. Bunun yanısıra çevreye verilen zararı minimum hale getirmek için üretilen hibrit/elektrikli araçlar için de, benzer sebeplerden dolayı enerjiyi depolayabilen ve uzun süre kullanımına imkan veren sistemlerin geliştirilmesi oldukça önemli bir teknolojik reform olarak görülmektedir. Elektrikli cihazların enerji ihtiyacının uzun süreli ve verimli bir şekilde sağlanabilmesi konusunda ön plana çıkan lityum iyon pil teknolojisi, yüksek enerji depolama kapasitesi, yüksek enerji yoğunluğu (kWh/kg), uzun ömür, yüksek şarj/deşarj verimi, düşük maliyet, enerjiyi düşük hacim ve ağırlıkta depolayabilme gibi özellikleri ile dikkat çekmekte ve bu alanda yapılacak çalışmalara temel teşkil etmektedir. Lityum iyon pillerde ticari olarak birçok anot malzemesi kullanılmakla birlikte, en yaygın anot malzemesi grafittir. Yüksek kapasiteli kalay, silisyum gibi metalik malzemeler, şarj/deşarj çevrimleri esnasında, hacimlerinde oluşan % 400'e varan genleşmeler sebebiyle grafitten daha az tercih edilmektedir. 372 mAh/g'lık spesifik kapasitesi ile grafit için ise, düşük spesifik kapasitesini iyileştirmeye yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Anot malzemesi olarak grafitik karbon kullanılan lityum iyon bataryalarda, grafit yüzeyinin morfolojisinin ve kimyasının, katı elektrolit yüzey (KEY) oluşumu, tersinmez şarj kaybı ve tüm anot elektrokimyasal performansı üzerinde çok önemli bir etkisi olduğu bilinmektedir. Bu nedenle, grafit anot yapısında ve yüzeyinde yapılacak modifikasyonlar ile pil performansını iyileştirmek mümkündür. Grafitik karbonlar, temel tabaka ve temel tabaka üzerinde oluşan prizmatik tabaka olmak üzere iki farklı tabakadan oluşur. Temel tabaka, homojen ve düzgün bir tabaka olup, hata ve kirletici içermeyen tabakadır. Prizmatik yüzey tabakası ise, heterojen formdadır ve karbon haricinde, genellikle oksijen içeren çeşitli gruplar içerir. Lityum iyon bataryalarda, şarj/deşarj prosesi, daha çok grafitik yapının en üstte bulunan prizmatik yüzeyinde gerçekleşir. Bu nedenle, grafit yüzeyine uygulanacak oksidatif modifikasyonlarla temel tabakanın daha inert olması sağlanarak, prizmatik yüzeylerin yapısı ve kimyasının ve dolayısıyla anot performansının değiştirilmesi mümkün olur. Uygulanan yüzey modifikasyon işlemleri ile grafit yüzeylerin stabilizasyonu sağlanarak Li+ enterkalasyonu arttırılır ve elektrolitin bozunması önlenir. Tez çalışması kapsamında, İstanbul Teknik Üniversitesi – Enerji Enstitüsü, Malzeme Üretim ve Hazırlama Laboratuvarı'nda anot malzemesi olarak kullanılan grafite, oksijen, azot ve fosfor grupları bağlanarak yüzey özellikleri geliştirilmiştir. Elde edilen malzemeler, taramalı elektron mikroskobu (SEM), X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ile karakterize edilmişlerdir. Yüzey özellikleri geliştirilen bu malzemeler ile lityum iyon düğme pil üretimi gerçekleştirilerek pil performansına etkileri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde, oksijen gruplarında ağırlık kayıplarının en fazla % 20 oranında olduğu ve en yüksek verimin (% 68), 540 °C'de oksijen ile modifiye edilmiş grafit numunesiyle üretilen pilde elde edildiği görülmüştür. Melamin ile modifiye edilen grafit numunelerinin XPS analizlerinde yapıda yüksek miktarda grafitik azot tabakalarına rastlanmış ve % 75 (ağ.) melamin ile modifiye edilmiş grafitin kullanıldığı pilin kapasitesi 517 mAh/g olarak tespit edilmiştit. Fosfor grupları ekleme işlemleri sırasında ise, fosforun çok yüksek sıcaklıklarda yapıdan uzaklaştığı ve yapının bozunduğu görülmüştür. Bu nedenle pil ölçüm sonuçlarında çeşitli hatalar tespit edilmiştir. Ayrıca, pil ölçümlerinin büyük çoğunluğunda, ilk çevrim esnasında spesifik kapasitede ani düşüş gözlenmiş ve bu düşüşün KEY tabakasından kaynaklandığı belirlenmiştir.