Yüksek saflıkta lityum Bis(oksalat)borat, LiB(C2O4)2 (LiBOB)geliştirilmesi ve standart ve yeni nesil elektrot malzemelerinin kararlılığına etkisi

Diğer pil teknolojileri arasında, lityum-iyon piller daha yüksek enerji yoğunluğu, kapasite, uzun ömür, düşük özboşalım oranı, ve tasarım esnekliği gibi üstün özellikleri sayesinde taşınabilir elektroniklerde, hibrit/elektrikli arabalarda ve enerji depoloma teknolojilerinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Son yıllarda, daha yüksek enerji yoğunluğu, daha uzun ömür, güvenlik, çevre dostu ve sürdürülebilirliğe yönelik yeni pil malzemeleri geliştirmek için birçok çaba gösterilmektedir. Günümüzde, çoğu ticari lityum-iyon pillerde anot olarak grafit, katot olarak LiCoO2 ve elektrolit çözeltisi olarak LiPF6 esaslı etil karbonat (EC) – dimetil karbonat (DMC) kullanılmaktadır. Buna rağmen, grafit anot düşük kapasitesi ve dendrit oluşumundan sorun yaşarken, LiPF6 tuzu tehlikeli yan ürünlere parçalanmaya eğilimli olması nedeniyle yüksek çalışma voltajlarında güvenlik sorunu ve düşük elektrokimyasal performans teşkil etmektedir. Bu nedenle, elektrolit parçalanması, yapısal değişim, HF saldırısı ve empedans artışını önlemek amacıyla katı elektrolit arayüzü (SEI) oluşturan çeşitli elektrolit katkıları kullanılmaktadır. Alternatif elektrolit katkıları arasında lityum bis(oksalat)borat (LiBOB) yüksek termal kararlılık, iyi çözünebilirlik, yüksek iletkenlik, düşük maliyet ve geniş voltaj aralığında güvenli olması nedeniyle yoğun ilgi görmektedir. Bu tezde, standart ve yeni nesil elektrot malzemelerinin elektrokimyasal performanslarını iyileştirmek amacıyla elektrolit katkısı olarak yüksek saflıkta LiBOB geliştirilmiştir. İlk olarak LiBOB koruyucu atmosfer altında düşük başlangıç kimyasalları ve daha az proses aşamaları kullanılarak sentezlenmiştir. Nem ve empüritenin LiBOB üzerindeki yıkıcı etkileri fiziksel ve kimyasal karakterizasyonlar ile değerlendirilmiştir. İkinci olarak, hücrede empedans artışına ve zayıf elektrokimyasal performansa neden olan elektrolit çözeltisinde çökelmeye eğilimli lityum oksalat (Li2C2O4) empüritesini gidermek için pratik bir rekristalizasyon prosesi uygulanmıştır. Yüksek saflıkta ürün elde edildikten sonra, LiCoO2 katotun yüksek voltajda karalılığını arttırmak amacıyla istenen oranda LiBOB referans elektrolit içerisinde çözündürülmüştür. Böylece, LiCoO2 LiBOB esaslı SEI tabakası sayesinde arayüzeysel kararlılığın arttırılmasına bağlı olarak üstün çevrim karalılığı, hız kabiliyeti, ve yüksek enerji yoğunluğu göstermiştir. Yeni nesil anot malzemesi olarak, yapısal kararlı, çevrimsel kararlı, çevre dostu, güvenli ve düşük maliyetli olması nedeniyle yüzeyi modifiye edilmiş TiO2 / indirgenmiş grafit oksit (RGO) nanokompoziti üretilmiştir. Öncelikle anataz TiO2 nanoparçacıkları sol-jel yöntemiyle ortalama kristalit boyutu 20 nm altında olarak elde edilmiştir. Elektrokimyasal performansı tamamen arttırmak için iletken ortam olarak RGO ile kaplama ve nanoparçacıkların daha iyi dağılmasını ve mekanik kararlılığı sağlamak için ise yüzey modifikasyonu uygulanmıştır. Sonuç olarak yüzeyi modifiye edilmiş TiO2/RGO anot, standart kompozit ve TiO2 naoparçacıklarına kıyasla daha yüksek kapasite, üstün çevrim kararlılığı, yüksek kulombik verimlilik (> %99), ve mükemmel hız kabiliyeti göstermiştir. Son olarak, LiBOB'un yüzeyi modifiye edilmiş TiO2/RGO anotun kararlılığına etkileri galvanostatik çevrim testleri ve çeşitli postmortem analizlerle incelenmiştir. Çevrim kararlılığını sağlamak için uygulanan akım oranının düzgün SEI oluşumu üzerinde önemli bir etkisi olduğu anlaşılmıştır. Yüzeyi modifiye edilmiş TiO2/RGO anot, LiBOB ilavesi ile düşük akım yoğunluğunda iyileştirilmiş kapasite korunumu ve yüksek kulombik verimlilik göstermiştir. Anot yüzeyinde kimyasal ve mekanik olarak kararlı bir SEI oluşumu, doğal yeri dışında taramalı electron mikroskobu (SEM) görüntüleri ve X-ray fotoelektron spektroskopisi (XPS) ile tayin edilmiştir. Fakat, düşük akım yoğunluğundaki ilk deşarjdan sonra bile LiBOB'un tercihi oksidasyonuna bağlı olarak yüksek olan tersinmez kapasite kaybı önlenememiştir. Bu çalışmada yüksek voltaj LiCoO2 katotların ve TiO2/RGO anotların yüksek saflıkta LiBOB ile verilen gelecek vaadeden sonuçları, en gelişmiş lityum iyon piller için yüksek enerji yoğunluğu, çevrim karalılığı ve güvenlik unsurlarını beraberinde getirerek diğer yüksek voltaj katotlar ve yeni nesil anotlar için yeni yollar açabilmektedir.