Li iyon piller için grafen takviyeli spinel LiMn2O4 nanoçubuk katot materyallerinin sentezi ve elektrokimyasal özelliklerinin geliştirilmesi

Anahtar kelimeler: Li iyon pil, LiMn2O4; katot, nanoçubuk, grafen, Ni ve Cr katkılama, serbest elektrot. Enerji ve çevre uygulamalarına yönelik dünya çapındaki talep arttıkça, taşınabilir elektronikler, hibrit elektrikli araçlar/elektrikli araçlar ve şebeke depolama uygulamaları için yüksek enerji yoğunluğuna sahip verimli enerji depolama cihazları geliştirmeye yönelik çalışmalar gün geçtikce artmaktadır. Bu bağlamda, lityum iyon piller, yüksek gravimetrik ve hacimsel enerji yoğunlukları nedeniyle potansiyel bir aday olarak kabul edilmektedir. Lityum iyon pillerde kapsamlı bir şekilde incelenen alanlardan biri, günümüzde kullanılan gelişmiş kapasite, kararlılık, hız kapasitesi ve uzun çevrim ömrü içeren katot malzemelerini belirlemek ve tasarlamaktır. Birçok katot adayı arasında, spinel LiMn2O4, çevre dostu olma avantajları, bol miktarda manganez kaynağı ve 3 boyutlu lityum difüzyon yolları nedeniyle, yüksek güçlü katot malzemeleri için en iyi adaylardan biri olarak kabul edilmektedir. Fakat, LiMn2O4 elektrot, manganezin çözünmesi, Jahn Teller bozunması ve oksijen boşluklarının oluşumu gibi dezavantajlara sahiptir. Literatürde söz konusu sorunları çözerek elektrokimyasal özellikleri geliştirmek için nanopartiküller, nanoçubuklar, nanotabakalar, gözenekli yapı, içi boş yapılar ve LiMn2O4-karbon kompozitler gibi farklı nanoyapılar ile yüksek akımda gelişmiş elektrokimyasal özellikler için LiMn2O4 yapısında Mn miktarını azaltarak metal iyonu katkılama gibi yöntemler önerilmektedir. Doktora tez çalışmasında etkili elektron tranfer yolu sağlamak amacıyla LiMn2O4 nanoçubuk yapıları üretilmiştir. Başlangıç malzemesi olarak mikrodalga hisrotermal sentez yöntemi ile üretilen -MnO2 nanoteller kullanılmıştır. Katı hal sentez yöntemi ve hidrotermal yöntem kullanılarak LiMn2O4 nanoçubuk yapıları elde edilmiştir. Jahn Teller bozulması ve Mn çözümesi gibi sorunları gidermek için LiMn2O4 yapısına Cr ve Ni katkılanarak LiNi0.2Mn1.8O4 ve LiCr0.2Mn1.8O4 yapıları üretilmiştir. Modifiye edilmiş Hummers yöntemi kullanılarak üretilen grafen ile her bir tozdan kompozitler oluşturarak serbest elektrotlar üretilmiştir. Buna göre en iyi elektrokimyasal performansı, 0,5 şarj/deşarj hızında 139 mAh/g'lık kapasite değeriyle bu yeni yaklaşımla üretilen grafen takviyeli LiNi0.2Mn1.8O4 elektrotun gösterdiği tespit edilmiştir.