Lityum iyon piller için metalurjik silisyum / KNT / grafen çok fonksiyonlu anotların geliştirilmesi

Yeşil enerji kullanımı, sadece sınırlı fosil yakıta olan bağımlılığı değil aynı zamanda sera gazı emisyonu nedeniyle küresel ısınma sorununu da çözecek olan çözümlerdendir. Ancak, herhangi bir yenilenebilir enerji kaynağının etkin olarak kullanımı, enerji depolanmasını gerektirmektedir. Li-iyon piller, taşınabilir elektronik devrelerden elektrikli araçlara kadar çeşitli uygulamalarda kullanılan başlıca enerji depolama sistemidir. Şu anda, Li-iyon pillerde, genellikle anot olarak maksimum 372 mAh/g spesifik kapasite sergileyebilen grafit kulanılmaktadır ve grafit yüksek enerji yoğunluğuna olan ihtiyacını karşılayamamaktadır. Bu kapsamda grafite alternatif olarak Si, Li ile yüksek sitokiyometride alaşım yapabildiği için, oda sıcaklığında grafitin teorik kapasitesinin neredeyse 10 katı kadar olan 3590 mAh/g spesifik kapasite sergileyebilmektedir. Ancak Si, lithasyon sırasında %300'den fazla oranda hacimsel genişlemeye maruz kalmakta ve bu büyük hacimli genişleme, aktif malzemenin pulverizasyonuna, elektriksel temas kaybına ve sonuç olarak hızlı kapasite kaybına neden olmaktadır. Bu doktora tez çalışmasında, bahsi geçen sorunları düşük maliyetli bir çözümle ele almak için, başlangıç malzemesi olarak metalurjik silisyum kullanılarak, yumurta sarısı-kabuk morfolojili silisyum partiküllerinin ve farklı oranlarda RGO ve/veya ÇDKNT içeren CCSi bazlı elektrotların üretim süreci, yapısal ve elektrokimyasal karakterizasyonu çalışılmıştır. Kompozit anotların üretiminin ilk aşaması, düşük maliyetli metalurjik silisyum tozunu, öğütme yöntemleriyle mikrometre boyutlarında partiküller haline getirmektir. Yumurta sarısı-kabuk yapısını elde etmek için, elde edilen mikro boyutlu partiküller sırasıyla, önce karbon ile kaplanmış ve sonrasında partiküllere HF işlemi uygulanmıştır. Bu işlemlerden sonra CCSi partikülleri elde edilmiş ve sonrasında vakum filtrasyon yöntemiyle CCSi/RGO/ÇDKNT kompozit elektrot aktif malzemeleri üretimi gerçekleştirilmiştir. Tez kapsamında kullanılan indirgenmiş grafen oksit, modifiye edilmiş Hummers yöntemi ile üretilmiştir. Kompozit anotların yapı, morfolojileri ve elektrokimyasal performansları farklı yöntemlerle incelenmiştir. CCSi/RGO/ÇDKNT kompozit elektrotlar, Si'ya göre üstün elektrokimyasal performans sergileyerek, 200 mA/g akım yoğunluğunda, 500 çevrim sonunda 621,393 mAh/g spesifik kapasite elde edilmiştir. Karbon kaplama tabakası ile yüksek elektriksel iletkenliğe ve mekanik mukavemete sahip ÇDKNT ve RGO kullanılarak, elektrotların elektrokimyasal performansları iyileştirilmiştir.