Biyokütleden elde edilmiş karbon tabanlı elektrotların sentezi ve karakterizasyonu

Neredeyse 30 yıl önce dünyanın ilk lityum iyon pili Sony Energetic firması tarafından ticarileştirilmesiyle birlikte yüksek performanslı şarj edilebilir pillere yönelik kesintisiz talep, bu teknolojinin akademik ve ticari ilerlemesine yol açmıştır. Günümüzde ise şarj edilebilir piller, dizüstü bilgisayarlardan otomobillere kadar ve hatta şehirlerin elektrik tedariğine kadar pek çok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Lityum iyon pillerin nispeten düşük maliyeti, toksik olmaması, uzun kullanım ömürleri ve yüksek enerji yoğunlukları bu pilleri çekici hale getirmektedir. Lityum iyon pillerdeki gereksinimleri karşılamak için birçok araştırma grubu LiCoO2, LiNi1−x−yCoxMnyO2, LiMn2O4 ve LiFePO4 gibi birçok olası katot malzemesini kapsamlı ve yoğun bir şekilde araştırmıştır. Bu katot malzemeleri arasında LiMn2O4 (LMO), düşük maliyeti, bol bulunurluğu, çevre dostu olması ve düşük güvenlik tehlikesi avantajları nedeniyle umut verici katot malzemelerinden biri olarak kabul edilmektedir. LMO 148 mAh/g'lık kapasitesinin yanı sıra, Fd-3m uzay gruplu yüz merkezli kübik spinel yapısı, iyon taşınmasını kolaylaştıran ve güç kapasitesini özellikle yüksek oranda iyileştirebilen üç boyutlu (3B) yapısı nedeniyle yoğun ilgi görmektedir. Ayrıca LMO (yaklaşık 4,0 V), LiCoO2'den (yaklaşık 3,6 V) daha yüksek nominal voltaj, yüksek termal kararlılık ve kolay uygulanabilirlik gibi özelliklere de sahiptir. Fakat LMO, kübik spinel fazdan tetragonal spinel faza geçerek 1V'luk düşüşe neden olan Jahn-Teller distorsiyonuna (özellikle 55°C üzerinde), manganezin (Mn) elektrolite çözünmesi ve elektrokimyasal süreç sırasında elektrot yüzeyin de oluşan mikro çatlaklar gibi döngü davranışını ve elektriksel iletkenliği (10−6/cm) düşüren dezavantajlara sahiptir. Çeşitli morfolojilerin sentezi, katkılama ve kaplama dahil olmak üzere bu sorunları ele almak için çeşitli stratejiler literatürde önerilmiştir. Bunların arasında kaplama, LMO'nun söz konusu problemlerini çözmek için kullanılan en kolay yöntemlerden biridir. Özellikle karbon kaplama, kaplama boyunca sürekli bir elektron yolu sağlayarak parçacıkların elektriksel olarak iletken kalmasını sağladığı için en dikkat çeken yöntemlerden biri olarak görülmektedir. Ayrıca, LMO üzerine karbon veya karbon benzeri malzemelerin kaplanmasıyla LMO parçaçıkların elektrokimyasal özellikleri oldukça gelişmiştir. Yine son zamanlarda yapılan çalışmalarda, bal peteği yapısındaki karbonun türevi olan grafen, iki boyutlu yapıları nedeniyle oldukça dikkat çekmektedir. Bu benzersiz nanoyapı gelişmiş elektronik iletkenlik, geniş yüzey alanı (2600 m2/g) ve iyi mekanik esnekliğe sahiptir. Literatürde yapılan bir çalışmada, LiMn2O4/Grafen hibrit kompozit elektrodun 200 çevrim sonrası bile çok az kapasite kaybı olduğunu gözlemlemiştir. Silisyumun elektrokimyasal kullanımları, 1950'lerden itibaren çeşitli keşiflerle şekillenmiş ve özellikle gözenekli silisyum (P-Si) üretimiyle hız kazanmıştır. 1956'da elektrokimyasal şekillendirme üzerine yapılan çalışmalar, 1990'da ise oda sıcaklığında görünür fotolüminesans sergileyen gözenekli silisyum keşfiyle birlikte sensör, lazer, biyomedikal uygulamalar ve optoelektronik alanlarında önemli araştırmaların önünü açmıştır. Elektrokimyasal yöntemlerle elde edilen silisyum nanoparçacıkları, ilaç taşınımından fotovoltaik sistemlerin verimliliğini artırmaya kadar pek çok alanda kullanılmaya başlanmıştır. Gözenekli ve farklı yüzey özelliklerine sahip silisyum yapıları, biyomedikal izleme ve güneş yakıtı üretimi gibi uygulamalarda yeni olanaklar sunmuştur. 2000'li yıllarda, eritilmiş tuz ortamlarında silisyumun elektrokimyasal indirgenmesi yöntemi geliştirilmiş, böylece yüksek saflıkta silisyum üretiminde çevre dostu ve güvenli bir yaklaşım sağlanmıştır. Aynı zamanda elektrokimyasal olarak doplanmış silisyum ve P-N eklem teknolojileri, güneş pilleri ile yarı iletken cihaz üretiminde maliyetleri düşürüp enerji verimliliğini artırma potansiyeli göstermiştir. Günümüzde özellikle lityum-iyon piller için silisyum elektrotlar üzerine yoğunlaşan çalışmalar, hacim değişimlerini dengeleyen, kendini onarabilen ve yüksek performans sunan malzemelerin geliştirilmesini hedeflemektedir. Grafen kaplama, silisyum-karbon nanokompozitler ve gözenekli tasarımlar gibi stratejilerle, bataryaların döngü ömrünü artırmak ve kapasite kayıplarını en aza indirmek amaçlanmaktadır. Silisyum anot malzemesi doğada bol bulunabilir ve çevre dostu özelliğe sahip olmasının dışında, grafit ile kıyaslandığında 10 kat yüksek kapasitesi (yaklaşık 4200 mAh/g, Li4.4Si) ve uygun elektrokimyasal potansiyeli (Li+/Li'ye göre yaklaşık 0,4 V) nedeniyle yüksek enerjili lityum iyon piller için en umut verici anot malzemelerinden biri olarak görülmektedir. Silisyum malzeme, grafit gibi katmanlı bir yapıya sahip değildir. Genellikle yüzey merkezli kübik örgüde elmas kristal yapısında kristalleşmekte ve lityum ile alaşımlama yaparak lityumu depolamaktadır. İlk deşarj sırasında, lityum iyonları, yüzey hacmi değişimi (genleşmesi) ile birlikte bir Li-Si alaşımı oluşturmak için silisyum yüzeyine difüze olmaktadır. Çeşitli Li-Si kimyasal fazları arasında, Li22Si5 en yüksek teorik pil kapasitesine (4200 mAh/g) ve en yüksek hacim genleşmesine (yaklaşık %420) sahiptir. Günümüzde lityum iyon pil uygulamalarında diğer çekici malzemelerden biri karbon aerojeldir. Diğer aerojel malzemeleriyle karşılaştırıldığında, karbon aerojellerin ultra düşük yoğunluk, geniş yüzey alanı, yüksek elektrik iletkenliği, termal ve kimyasal dayanıklılık, iyi mekanik özellikler gibi birçok ilginç özelliği vardır. Karbon aerojeller (KA), kullanılan karbon prekürsörlerinin çeşidi açısından fenolik reçineden türetilmiş karbon aerojeller, diğer karbon allotroplarından (karbon nanotüp ve grafen) türetilmiş aerojeller ve biyokütleden türetilmiş karbon aerojeller olmak üzere üç kategoride sınıflandırılabilir. Yüksek özgül yüzey alanı, ayarlanabilir gözenekliliği, büyük gözenek hacmi, yüksek elektrik iletkenliği ve hidrofobikliği nedeniyle üç boyutlu hiyerarşik ağa sahip olan karbon aerojellerin Lityum iyon piller için ideal malzemeler olduğu düşünülmektedir. Yüksek lisans tezinde mısır nişastası biyokütlesinden sol-jel yöntemi ile sentezlenen karbon aerojelin ultra düşük yoğunluk, geniş yüzey alanı, yüksek elektrik iletkenliği, termal ve kimyasal dayanıklılık gibi özelliklerinden faydalanılmak istenmesinin bir sonucu olarak karbon aerojel/LiMn2O4 kompozit katot ve karbon aerojel/Si kompozit anot elektrotları üretilmiştir. Karbon aerojelin, LMO katotlarda meydana gelen Mn çözünmesini engellemesi ve silisyum anotlarda hacim değişikliklerine karşı tampon görevi görerek elektrot stabilitesini arttırması, elektrotların elektriksel iletkenliğinin, çevrim ömürlerinin ve elektrokimyasal özelliklerini iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Saf LMO ve silisyum nano tozları nişasta biyokütlesinden elde edilen karbon aerojel ile kompozit elektrotlar oluşturulmuştur. Bu özgün yaklaşımla doğada bol bulunabilir, düşük maliyetli prekürsöre sahip karbon aerojel ile hem çevre dostu hemde uzun çevrim ömürlü LMO katot ve Si anot elektrotlarının elde edilmesi hedeflenmektedir. Mısır nişastası biyokütlesinden sentezlenen karbon aerojel ve sentezlenen karbon aerojelden geliştirilen KA/LMO ve KA/Si kompozit elektrot malzemelerinin morfolojik, kimyasal ve elektrokimyasal özellikleri incelenmiştir. Elektrokimyasal testler sonrasında elde edilen sonuçlarla karbon aerojelin Si anot ve LMO katot üzerindeki özellikleri incelenerek Si anot ve LMO katot lityum iyon pil elektrotlarının elektrokimyasal özelliklerine katkıda bulunduğu ispatlanmıştır.