Lityum-oksijen piller için nano yapılı elektrotların M13 virüs ve bitki özleri ile üretimi

A Lityum-Oksijen (Li-O2) pilleri, sahip olduğu yüksek teorik enerji yoğunlukları (11,586 Wh kg-1) sebebiyle geleceğin şarj edilebilir batarya sistemleri arasında en ön plana çıkan sistemlerdir. Li-O2 pillerin çalışma prensibi, lityum iyonları ile havadan elde edilen Oksijen atomlarının katot yüzeyinde tersinir reaksiyonlar ile Li2O2 oluşumuna dayanmaktadır. Bu sebeple Li-O2 pillerinde yüksek kararlılığa sahip tersinir elektrokimyasal reaksiyonların oluşumu, Li2O2 oluşum ve bozunma kinetiklerinin arttırılmasına bağlıdır. Bu tez çalışmasında bitki özleri ve M13 virüsleri kullanılarak Li-O2 piller için yüksek verimliliğe sahip, yenilikçi katot malzemelerin üretimi amaçlanmıştır. M13 virüsleri insanlar için zararsız, bakterileri enfekte eden bakteriyofaj'lar olarak, sahip oldukları özgün morfolojileri sebebiyle biyolojik şablon olarak görev yapmaktadır.Bitki özlerinin çeşitli metal/metal oksit nanoparçacıkların biyosentezinde indirgeyici olarak kullanıldığı çalışmalar literatürde mevcuttur. Bu sebeple, bu tez bağlamında, karnabahar morfolojisine sahip TiO2 nanopartiküller papatya özü kullanılarak sentezlenmiştir. Biyolojik yöntemlerle üretilen, ağırlıkça %5 karbon siyahı içeren TiO2 elektrotlar, 500 mAhg-1 kapasite limitli testlerde yüksek polarizasyon göstererek ancak 30 çevrim kararlı şarj-deşarj performansı göstermiştir. Üretilen katotların çevrim kararlılığını arttırmak amacıyla, α-MnO2'nin kabuk olduğu çekirdek-kabuk morfolojisinde ağırlıkça %10 karbon siyahı içeren katotlar üretilmiştir. Üretilen TiO2/α-MnO2 yapıları, 600 mAhg-1 kapasite limitli testlerde 60 çevrim kararlı şarj deşarj performansı göstermekle beraber, yüksek karbon siyahı içeriği nedeniyle çeşitli yan reaksiyon ürünlerinin oluşumuna sebep olmuştur. Karbon siyahının varlığından kaynaklanan problemlerin aşılması amacıyla, yüksek elektronik iletkenlik ve katalitik aktiviteye sahip karbonsuz katotlar, M13 virüslerin yardımıyla rutenyum katkılanmış tek boyutlu α-MnO2 olarak üretilmiştir. Üretilen virüs şablonlu Ru/ α-MnO2 nanoçubuklar yüksek porozite ve yüzey alanı göstermektedir. Katotlar 1000 mAhg-1 kapasite limitli testlerde 48 çevrim kararlı şarj deşarj performansı göstermekle beraber, ilk çevrimde 14,383 mAh g-1 'lık oldukça yüksek kapasite elde edilmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışması bağlamında kullanılan biyo-sentez yöntemleri, yüksek performanslı batarya elektrotlarının üretiminde çevre dostu ve düşük maliyetli bir yaklaşım sunmaktadır.