Katı hal lityum sülfür piller için borofen katkılı katotların geliştirilmesi

Bu çalışmada, toz formda üretilen 2 boyutlu beta borofenin tam katı hal lityum sülfür pillerde katot katkısı olarak kullanılarak iyonik ve elektriksel iletkenlikleri üzerinde etkisi incelenmiştir. Literatürde borofenin genellikle anot kısmındaki katkıları tartışılırken, bu tezde özgün olarak katot katkısı üzerine araştırmalar gerçekleştirilmiştir. Tez kapsamında katot içerisinde aktif malzeme olarak MoS2, elektriksel iletken malzeme olarak karbon karası ve iyonik iletken malzeme olarak da Li7P3S11 katı elektroliti kullanılmıştır. Boron tozundan eksfoliyasyon yöntemiyle elde edilen borofenin lityum sülfür pillerde katot katkısı olarak kullanılıp iyonik ve elektriksel etkileri araştırılmıştır. Li2S ve P2S5kullanılarak elde edilen Li7P3S11 elektrolit ise literatürdeki lityum sülfür piller için kullanılan en verimli katı elektrolitlerden biri olarak gösterilmektedir. Ancak arayüzey problemleri ve buna bağlı olarak iyonik iletkenlikte meydana gelen performans kayıpları nedeniyle, borofen katkısının katı elektrolitin kararlılığı üzerindeki etkileri incelemek bu tez kapsamında kayda değer bulunmuştur. Katotta kullanılan bir diğer malzeme olan MoS2 ise sülfür içerikli aktif malzeme olarak kullanılmıştır. MoS2, iki boyutlu (2D) malzeme doğası gereği, sülfürün tek başına kullanıldığında sergilediği birçok dez avantajı ortadan kaldırmakta ve boşluklu sandviç yapısı sayesinde sülfürün tek başına çözemediği sorunların üstesinden geleceğini düşündürmektedir ve çokça rapor edilmektedir. Araştırmalara göre MoS2 sadece spesifik kapasiteye değil, aynı zamanda iyonik hareketliliğe de olumlu katkı verdiği teorik olarak kanıtlanmış olup, bu tez çalışmalarında tam katı hal lityum sülfür pillerin katot malzemesi olarak kullanılmak üzere değerlendirilmiştir. Tez kapsamında geliştirilen, MoS2 katotu, Li7P3S11 katı elektroliti ve Borofen katkısı, XRD, Raman, SEM gibi yapısal karakterizasyon teknikleri ile analiz edilmiş, DSC ve DTA gibi analiz teknikleriyle termal özellikleri belirlenmiş ve CV, empedans, galvanostatik şarj-deşarj testi ve iletkenlik testi gibi tekniklerle de elektriksel ve elektrokimyasal özellikleri incelenmiştir. Lityum sülfür pil katotun iyonik ve elektriksel iletkenliğini iyileştirebilmek adına kullanılan borofenin katı hal hücrede karbon karası ve Li7P3S11 katkıları ile orantılı olarak yer değiştirme işlemleri gerçekleştirilmiştir. Hücre içerisindeki katot bileşimi pil1, pil2, pil3 için MoS2 (%30) / İletken Karbon (%30) / Li7P3S11+Borofen (%40) şeklindedir. Pil 4, pil5 ve pil 6 için ise MoS2 (%30) / Li7P3S11 (%30) / İletken Karbon+Borofen (%40) şeklinde olmak üzere farklı oranlar çalışılmıştır. Pil1, pil2 ve pil3 hücrelerinde borofenin iyonik iletkenlik üzerindeki etkileri incelenirken, pil 4, pil 5 ve pil 6 hücrelerinde ise borofenin elektriksel iletkenlik üzerindeki etkileri incelenmiştir. Öncelikle borofenin tam katı hal lityum sülfür pillerde iyonik iletkenlik üzerindeki etkisini görebilmek adına, MoS2 aktif malzeme ve karbon karası oranları sabit tutulmuş ve farklı oranlarda (Li7P3S11 + Borofen) bileşimleri hazırlanmıştır. Ardından borofenin tam katı hal lityum sülfür pillerde elektriksel iletkenlik üzerindeki etkisini görebilmek adına, MoS2 aktif malzeme ve Li7P3S11 oranları sabit tutulmuş ve farklı oranlarda (Karbon karası (İletken Karbon + Borofen) bileşimleri hazırlanmıştır. Yapılan deneysel çalışmaların sonuçlarına göre; katı elektrolitin miktarının azaltılıp borofenin miktarının artırıldığı hücrelerde (pil 1, pil 2, pil 3) spesifik kapasitenin olumsuz yönde etkilendiği, ancak kararlılığın ve çevrim ömrünün olumlu yönde etkilendiği gözlemlenmiştir. Aynı şekilde diğer oranlar sabit tutularak karbon karası miktarının azaltılıp borofen miktarının artırıldığı hücrelerde ise (pil 4, pil 5, pil 6), elektriksel iletkenliğin olumlu yönde etkilendiği gözlemlenmiştir. Tez çalışmaları kapsamında kullanılan yöntemin pratik, uygulanabilir ve ölçeklendirilebilme imkânının yüksek olduğu söylenebilir. Bu sebeple yapılan çalışmaların yeni nesil elektrokimyasal enerji depolama sistemleri için ışık tutması ve ticarileştirilebilmesi noktasında da rehber olması beklenmektedir.