Heteroatom katkılı grafen temelli anot içeren yeni nesil sodyum iyon pillerin üretilmesi ve performanslarının incelenmesi

Dünya genelinde hızla artan enerji ihtiyacı, çevresel sorunlar ve nüfusun yükselmesi insanlığı enerjiyi doğru ve verimli kullanmaya yönlendirmektedir. Na-iyon piller kabul edilebilir kapasite değeri ve uzun ömürlü olması nedeniyle şarj edilebilir piller arasında Li-iyon pillere en büyük alternatif olarak karşımıza çıkmaktadır. Na-iyon pillerde anot aktif malzemesi olarak kullanılabilecek en muhtemel adaylardan birisi de grafendir. Grafen, elektrokimyasal enerji depolama cihazlarında sahip olduğu olağanüstü özellikleri sayesinde bu sistemler için umut vadeden bir elektroaktif malzemedir. Bu tez çalışması kapsamında, solvotermal yöntemle farklı pH değerlerinde üretilen azot katkılı grafenler (N-GN1, N-GN7 ve N-GN13), silisyum-azot katkılı grafen (Si-N-GN) ve demir-azot katkılı grafen (Fe-N-GN) sentezlenmiş ve Na-iyon pillerde anot performansları test edilmiştir. Sentezlenen elektroaktif malzemelerin öncelikle fizikokimyasal karakterizasyonları yapılmıştır. Malzemelerin morfolojik yapıları enerji dağılımlı taramalı elektron mikroskobu (SEM-EDX), geçirimli elektron mikroskobu (TEM) ve N2 adsorpsiyon/desorpsiyon yöntemi ile kristal yapıları ise X-ışını kırınımı (XRD) ile belirlenmiştir. X-ışınları fotoelektron spektrometresi (XPS) ve Raman spektrometresi ile örneklerin yüzey kimyasal yapıları, elementel bileşimleri ve elementlerin bağlanma konfigürasyonları belirlenmiştir. Elde edilen veriler incelendiğinde N-GN'lerin sık istiflenmiş grafen tabakalardan oluşarak düzenli mikro- ve mezo-gözneklerden oluştuğu anlaşılmıştır. Si-N-GN'nin ise dağınık halde çoklu grafen plakalarından oluşan amorf bir yapıya sahip olurken, Fe-N-GN'nin ise buruşuk yaprak yapısına ek olarak, grafen yapısının içinde büyük küre şeklinde partiküller görülmüştür. N-GN1, N-GN7, N-GN13, Si-N-GN ve Fe-N-GN için spesifik yüzey alanları (SBET) sırasıyla 212, 1049, 1289, 523 ve 482 m2.g-1 olarak hesaplanmıştır. XPS ve Raman verileri ise detaylı bir şekilde ilgili bölümlerde açıklanmıştır. Malzemelerin Na-iyon pillerde anot olarak kullanılabilirliği çalışmaları kapsamında elektrokimyasal analizleri yapılmıştır. N-GN'lerin elektrokimyasal özellikleri kendi yarı hücrelerinde Döngüsel voltametri (CV), Galvanostatik şarj/deşarj (GCD) farklı bağlayıcı ve farklı elektolit kombinasyonlarında değerlendirilmiştir. GCD testlerinde en yüksek kapasite değerleri verilen anot malzemeleri (N-GN13/Na-KMS, N-GN13/PVdF, Si-N-GN/PVdF ve Fe-N-GN/PVdF) seçilmiş ve ileri elektrokimyasal testleri (Dunn&Trassati yöntemi, uzun vadeli dayanıklılık ve performans özellikleri ve EIS'ler) yapılmıştır. Belirlenen optimum parametre ve hücre bileşenlerin uzun ömürlülük testlerinde yüksek stabilitesi ve yüksek kapasite değerleriyle N-GN13/PVdF için 174 mAh.g-1 kapasite bulunurken, Fe-N-GN için 170 mAh.g-1 değer bulunmuştur. Bu malzemelerin yüksek stabilitelerinden dolayı 250 döngü boyunca >%98 Kolombik verimlilik sergilemişlerdir.