Fiziksel buhar biriktirme yöntemiyle katı hal lityum iyon pil bileşenlerinin geliştirilmesi

Son birkaç yüzyıldaki küresel enerji talebi, karbondioksit emisyonları nedeniyle küresel iklim değişikliğine yol açan fosil yakıtların yanma reaksiyonu ile karşılanmıştır. Teknolojik gelişmenin yanı sıra artan nüfusun artan enerji ihtiyaçlarını karşılamaya devam edebilmesi için daha sürdürülebilir bir enerji üretim yöntemi benimsenmelidir. Elektrokimyasal enerji depolama ve dönüştürmeye dayalı yöntemler kullanılarak cep telefonlarının, taşınabilir elektronik cihazların, robotik elektrikli süpürgelerin ve dizüstü bilgisayarların artan ihtiyaçlarına daha sürdürülebilir ve çevre dostu bir alternatif olarak enerji sağlanmaktadır. Ancak mikro ve nanoelektromekanik sistemler gibi daha küçük boyutlu cihazlar üretilmek isteniyorsa daha küçük boyutlu ve yüksek güç yoğunluğuna sahip bataryalar geliştirilmelidir. İnce film piller, daha küçük boyutlu cihazlar için en umut verici aday ve alternatif olarak göze çarpmaktadır. Bu tür pillerin, yüksek enerji yoğunluğu, mükemmel güvenlik, artan çevrim ömrü ve çok çeşitli çalışma sıcaklıkları gibi çeşitli avantajlara sahip olduğu bilinmektedir. Yaygın olarak kabul görmüş olmasına rağmen, yeni nesil pil malzemeleri pahalı olması, toksik bileşenler içermesi ve güvenlik kaygıları nedeniyle bazı sınırlamalara sahiptir. Aynı zamanda lityum iyon pillerde kullanılan sıvı elektrolitin oldukça yanıcı ve parlayıcı bir malzeme olduğu bilinmektedir. Bu nedenlerle mevcut yöntemler, gelecekteki uygulamalar için öngörülen depolama gereksinimlerini karşılayamamaktadır. Çalışmaların çoğu genel olarak, yeni malzemelerin geliştirilmesi ve araştırılması için büyük ölçekli üretimle gerçekleştirilen geleneksel sentez tekniklerine dayanmaktadır. Bu çalışmanın odak noktası ise ince film biriktirme yöntemi olarak radyo frekanslı (RF) sıçratma yöntemi kullanılarak lityum iyon pillerde kullanılan hücre bileşenlerini üretmek ve kaplama parametrelerini optimize etmektir. Mevcut teknikle hücre bileşenlerinin üretim parametrelerinin optimizasyonu, lityum iyon pillerin seri üretimi için geleneksel süreçlerin geliştirilmesine yardımcı olmaktadır. Aynı zamanda taşınabilir elektronikler için gelecekte tamamen ince film yöntemiyle üretilen pillerin yolunu açmaktadır. Mevcut çalışmada lityum iyon pillerin temel bileşenleri olan anot, katot ve elektrolit ince film olarak biriktirilmiş yarı hücreler vasıtasıyla bu malzemelerin elektrokimyasal testleri gerçekleştirilmiştir. Altlık malzemesi olarak kullanılan Si-wafer, Cu-folyo ve paslanmaz çelik üzerinde Si ince filmlerin biriktirilmesi 2 inç'lik çapa sahip ticari bir hedef malzemesi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Böylece anot malzemesi olan Si için yapısal karakterizasyon için Si-wafer, elektrokimyasal karakterizasyon için de paslanmaz çelik uygun altlık malzemesi olarak belirlenmiştir. Bu bilgiler ışında katot olarak LiCoO2, elektrolit olarak ise LIPON ince filmler benzer altlık malzemeleri üzerinde test edilmiştir. Katot ve elektrolit üretimi için kullanılan hedef malzemelerin üretiminde 2 inç'lik çapa sahip paslanmaz çelik kalıp kullanılmıştır. Her malzeme özelinde altlık ısıtma, altlık temizleme, RF gücü gibi uygun deneysel parametreler belirlenerek üretime aktarılmıştır. RF manyetik sıçratma ile ince filmlerin biriktirilmesi, bileşenler arasındaki sitokiyometrik oranı elde etmek için her zaman belli bir gaz karışımında gerçekleştirilmiştir. Tüm bileşenler için biriktirme işleminin tamamlanması akabinde bileşenlerin yapısal özellikleri çeşitli karakterizasyon yöntemleriyle test edilmiştir. Yüzey profilometresi, taramalı elektron mikroskobu (FESEM), atomik kuvvet mikroskobu (AFM), x-ışınları difraksiyonu (XRD), raman spektroskopisi, x-ışınları fotoemisyon spektroskopisi (XPS) yapısal karakterizasyon yöntemleri olarak yer almaktadır. Si ve LiCoO2 ince filmlerle üretilen yarı hücrelere çevrimsel voltametri (CV), elektrokimyasal empedans spektroskopis (EIS) ve galvanostatik şarj/deşarj testleri uygulanmıştır. Si ince filmler için deşarj kapasitesinin 20 çevrim sonunda 2440 mAh g-1 olduğu görülmüştür. %10'luk O2 atmosferinde üretilen LiCoO2 ince filmlerin deşarj kapasitesi ise 100 çevrim sonrası 13 µAh/cm2'dir. Ayrıca tersinir reaksiyonlar sırasında silisyumun lityum ile etkileşimi sonucu ortaya çıkan genleşmelerle yapısındaki değişimler mevcut pil tasarımlarıyla engellenmiştir. Bu çalışmada kullanılan yöntem, ince film mikro batarya üretiminde ve ölçeklemede oldukça etkili bir yöntem olarak dikkat çekmektedir.