Lityum iyon piller için yazdırılabilir teknolojilere uygun yeni nesil anotların geliştirilmesi

Lityum-iyon piller, yüksek enerji ve güç yoğunlukları, uzun çevrim ömürleri ve kendilerine özgü güvenlik özellikleri sayesinde çok çeşitli uygulamalarda enerji depolama için en önde gelen seçenek olarak öne çıkmaktadır. Bununla birlikte, lityum iyon pillerin birçok avantajına rağmen, yüksek üretim maliyetleri ve sınırlı enerji depolama kapasitesi gibi bazı dezavantajların getirdiği sorunlar hala devam etmektedir. Bu dezavantajlar, batarya performansını artırma potansiyeline sahip alternatif aktif malzemelerin önemli bir şekilde araştırılmasına yol açmaktadır. Silisyum (Si) 3579 mAh/g spesifik kapasitesi ve diğer anot aktif malzemelerine kıyasla nispeten düşük maliyeti nedeniyle büyük ilgi görmektedir. Bununla birlikte, silisyumun bir anot malzemesi olarak entegre edilmesinin getirdiği avantajların yanında, önemli hacim büyümesi ve şarj ve deşarj prosesleri sırasında yetersiz iletkenlik gibi aşılması gereken bazı dezavantajlar da bulunmaktadır. Silisyum anotların dezavantajlarının önüne geçebilmek amacıyla, araştırmacılar yenilikçi nanoyapı tasarımları gibi kapsamlı çalışmalar ve araştırmalar yapmaktadırlar. Ancak bu tasarımda silisyum hala elektrolit ile doğrudan temas etmekte ve hacim genleşmeleri için potansiyel taşımaktadır. Alternatif bir yaklaşım ise silisyumla beraber tamamlayıcı özellikler sergileyen malzemeler kullanılarak kompozit anotlar geliştirmektir. Bu tez kapsamında, silisyum anot malzemesinin, indirgenmiş grafen oksit (iGO) tabakaları arasına dekore edilerek yeni nesil pil teknolojilerine uyarlanması, yazdırılabilir yöntemler ile sunulmuştur. Çünkü ince ve esnek hücrelerinelde edilmesi için, yeni üretim tekniklerinin geliştirilmesi hayati önem taşımaktadır. Yazdırılabilir pillerin ölçeklenebilir üretimi için uygun bir üretim tekniği arayışı, serigrafi baskıyı ön plana çıkarmaktadır. Bu tercih, tekniğin doğasında var olan basitlik, hızlı işleme yetenekleri ve çeşitli alanlarda geniş uygulanabilirliğinden kaynaklanmaktadır. Si/iGO malzemeleri ile serigrafi arasındaki sinerjilerin araştırılması, bu kompozitin gelecekteki büyük ölçekli üretimini ve lityum iyon hücrelerde kullanımını etkileyebilecek potansiyele sahiptir. Serigrafi yöntemi ile üretilmiş bataryalar önemli avantajlarıyla dikkat çekmektedir. Genel olarak hafif, ince ve esnek yapılarıyla önemli avantajlar göstermektedirler. Tüm bunlara ek olarak büyük ölçekli ve uygun maliyetli süreçlerle üretilebilmeleri, günden güne gelişen enerji teknolojileri sistemleri açısından oldukça önem arz etmektedir. Bu yöntemle üretimi gerçekleştirilen pillerin performansı, başta viskozite ve yüzey gerilimi olmak üzere mürekkep özelliklerine bağlı olmaktadır. Beklenen optimum mürekkep özellikleri, bir polimer ağı içinde homojen partikül dağılımı sağlayan orta düzeyde viskozite ve minimum sedimantasyon gerektirmektedir. Baskı teknolojileri, tamamen işlevsel piller de dahil olmak üzere çeşitli pil bileşenlerini üretmedeki avantajlarını şimdiden göstermektedir. Ayrıca hem sprey baskı hem de serigrafi baskı yöntemleri vasıtasıyla, yüksek kapasiteli ve uzum çevrim ömrü gösteren grafit elektrotların başarıyla üretildiği bilinmektedir. Tez kapsamında yapılan çalışmalar, geleneksel silisyum anotlara potansiyel bir alternatif olarak İndirgenmiş Grafen Oksit (iGO) takviyeli Silisyum Anot sentezinin serigrafi yöntemi ile uygulanmasının araştırılmasına yöneliktir. Olağanüstü elektrik iletkenliği ve mekanik özellikleriyle öne çıkan grafen, silisyum esaslı anotlarda karşılaşılan zorlukların önüne geçmek için umut verici bir yol sunmaktadır. İGO'nun silisyuma entegrasyonu, hacim genişleme zorluklarını iyileştirme ve lityum-iyon pillerin termal stabilite, uzun çevrim ömrü ve enerji yoğunlukları gibi elektrokimyasal performansını artırma gibi durumlar açısından oldukça umut vadetmektedir. Tüm bunların ışığında, verimli ve hafif şarj edilebilir enerji depolama arayışında, yazdırılabilir Lityum-İyon Piller (LIB'ler) için Si/iGO kompozitlerine dayalı yeni mürekkepler araştırılmıştır. Silisyumun gösterdiği iletkenlik ve döngü kararlılığı sorunlarına karşılık, Lityum-İyon batarya performansını artırmak adına Yolk-shell (kabuklama) yöntemiyle Si/iGO yapıları sentezlenmiştir. Sentezlenen bu yapılar su bazlı anot mürekkeplerinin üretiminde kullanılmıştır. Carboxymethyl Cellulose (CMC) ve Polyethylene Oxide (PEO) bağlayıcı kullanılarak hazırlanan çözelti ile geleneksel üretim yöntemi olarak bilinen CMC ve Styrene-butadiene (SBR) bağlayıcı çözeltisi karşılaştırılmıştır. Si/iGO/CMC/PEO mürekkep tabanlı baskılı elektrotlar, hem nanokompozit sentez yönteminin hem de serigrafi baskıya dayalı geliştirilen üretim yönteminin iyi kombinasyonunun bir sonucu olarak, Si/iGO/CMC/SBR elektroduna (92,5 ohm ve 1,26 × 10-⁸ cm² s-¹) kıyasla daha düşük bir yük aktarım direnci (65,7 ohm) ve daha yüksek bir Li⁺ difüzyon katsayısı (7,83 × 10-⁸ cm² s-¹) göstermiştir. Bu özellikler Si/iGO/CMC/PEO nanokompozitini hızlı şarj ve deşarj işlemleri için daha elverişli hale getirmektedir. CMC/PEO bazlı baskılı elektrot 0,05C'de 50 döngüden sonra 2988 mAh g-1 kapasite sergilemektedir. Ayrıca, deşarj kapasitesinin korunması %89'dur. 50 şarj-deşarj döngüsü boyunca tatmin edici bir döngü kararlılığı sergileyerek anot için umut verici kapasiteler göstermiştir.