Çok bileşenli hibrit nanomimarili silisyum/grafen/karbon nanofiber negatif elektrotların geliştirilmesi

Bu çalışmanın odak noktası farklı karbon malzemelerinin, elektrokimyasal çevrim testleri sırasında silisyum anotların mekanik bütünlüğü ve elektrokimyasal kararlılığı üzerindeki rolünü incelemektir. Çünkü lityum iyon hücrenin elektrokimyasal performansı kuvvetli bir şekilde, silisyumun lityum ile reaksiyonları sırasındaki mekanik bütünlüğüne bağlıdır. Silisyumda meydana gelen büyük hacim değişimleri (∼%300), aktif malzeme ile akım toplayıcı arasındaki elektriksel bağlantının kopmasına, elektrotun pulverizasyonuna ve bunun sonucunda da hızlı bir şekilde kapasite düşmesine sebep olmaktadır. Bu amaçla, yüksek kapasite ve geniş kararlılığa sahip elektrotlar elde edebilmek için tez çalışmaları kapsamında, silisyum, karbon karası, küresel amorf karbon, indirgenmiş grafen oksit ve karbon nanofiberin çeşitli kombinasyonları ile çok bileşenli anot malzemeleri tasarlanmıştır. İlk olarak, karbon karasının mekanik takviyesi ile elektrotun iletkenliği geliştirilmiştir. Daha sonra, silisyum nanopartikülleri, SEI oluşumunu ve hacim değişikliklerini kontrol edebilmek için yolk-shell yapısına sahip küresel amorf karbon içerisine hapsedilmiştir. Elektrokimyasal ve mekanik performanslarda hala bazı problemler gözlemlediği için, yukarıda belirtilen zorluklara karşı daha iyi koruma sağlayabilmek adına, elektrotta indirgenmiş grafen oksit kullanılmıştır. Üretilen elektrotların elektrokimyasal ve mekanik davranışındaki gelişmeyi daha iyi anlayabilmek için, ilk defa bu çalışmada indirgenmiş grafen oksit esaslı elektrotlar üzerinde gerçek zamanlı stres ölçümleri yapılmıştır. Ayrıca, silisyum üzerine yolk-shell yapısı ve indirgenmiş grafen oksitin turbostatik paket kombinasyonu ile kaplama yapılmasıyla elektrotta çifte koruma sağlanmıştır. Üretilen bu kompozit yapı üzerinde silisyumun tamamen genleşmiş halindeki gerilim oluşumları ANSYS tasarım modelleyicide sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır. Literatürdeki ilk çalışma olan bu hesaplama, indirgenmiş grafen oksit tabakaları arasındaki karbon kabuğunun elektrottaki deformasyonun ve gerilim oluşumunun azalmasına katkısını göstermiştir. Son olarak, iletkenliği ileri derecede arttırmak ve mekanik bütünlüğü daha iyi kontrol edebilmek için sisteme kuvvetli bir şekilde karbon nanofiberler eklenmiştir. Bu araştırmada elde edilen deneysel ve hesaplamalı analizler sonucunda, Si/K/iGO/KNF elektrotu, 500 çevrim sonunda 2370 mAh/g kapasite sergilemiştir. Ayrıca geri dönüşümlü reaksiyonlar sırasında silisyumun lityum ile etkileşimi sonucu ortaya çıkan genleşmelere karşı da oldukça iyi bir yapısal kararlılık göstermiştir. Tez çalışmalarında kullanılan yöntemin oldukça kolay olması sebebiyle üretimin ölçeklendirebilme imkanının yüksek olduğu söylenebilir. Bu sebeple bu çok bileşenli hibrit nanokompozit, elektrokimyasal enerji depolama sistemleri için yeni bir elektrot olma yolunda büyük bir adaydır.