Lityum-sülfür piller için mxene katkılı sülfür katotların geliştirilmesi

Lityum enerji depolama teknolojileri, yüksek enerji yoğunlukları, düşük toksisiteleri, uygun maliyetleri ve bileşenlerinin doğada bol miktarda bulunabilirliği gibi avantajları sayesinde, günümüzün giderek artan enerji talebine karşı etkili ve sürdürülebilir çözümler sunmak amacıyla geliştirilmiştir. Bu bağlamda, lityum-sülfür (Li–S) bataryalar, teorik enerji yoğunluklarının son derece yüksek olması ve sülfürün doğada yaygın olarak bulunabilmesi nedeniyle yeni nesil enerji depolama sistemleri arasında dikkat çekici bir potansiyel sergilemektedir. Ancak, Li–S bataryaların pratik kullanımı çeşitli yapısal ve elektrokimyasal sınırlamalar nedeniyle önemli ölçüde kısıtlanmaktadır. Sülfürün yalıtkan doğası, şarj–deşarj çevrimleri sırasında oluşan çözünür lityum polisülfitlerin elektrolit içerisinde dağılmasıyla ortaya çıkan ve "mekik etkisi" olarak bilinen mekanizma, aktif maddenin kaybına ve batarya performansında ciddi düşüşlere yol açmaktadır. Buna ek olarak, çevrim ömrü boyunca kapasite kayıplarının hızla gerçekleşmesi, sistemin çevrim kararlılığını olumsuz yönde etkilemektedir. Bu temel sorunların üstesinden gelebilmek adına çeşitli katkı malzemeleri ve konak yapılar üzerine yoğun araştırmalar yürütülmektedir. Ancak, tüm bu çabalara rağmen Li–S bataryaların performansını sınırlayan problemler henüz tam anlamıyla çözülebilmiş değildir. Son yıllarda, geçiş metali karbür ve nitrürlerinden oluşan, iki boyutlu (2D) yapıya sahip MXene ailesi, sahip olduğu olağanüstü özellikler sayesinde Li–S bataryalar için umut vadeden katkı malzemeleri arasında öne çıkmaktadır. MXene'ler, yüksek elektriksel iletkenlik, geniş özgül yüzey alanı, hidrofilik yüzey özellikleri ve yüzey fonksiyonel gruplarındaki çeşitlilik gibi avantajlarıyla, sülfür katotların elektrokimyasal performansını artırmak amacıyla ideal bir yapı sunmaktadır. Özellikle, MXene yüzeyindeki fonksiyonel gruplar, lityum polisülfitlerle güçlü fiziksel ve kimyasal etkileşimler oluşturarak mekik etkisinin baskılanmasında kritik rol oynamaktadır. Bu sayede, aktif maddenin anoda doğru taşınması engellenmekte, kapasite kayıpları azaltılmakta ve çevrim ömrü boyunca kararlılık önemli ölçüde artırılmaktadır. Bu nedenlerle MXene yapılı malzemeler, günümüzde Li–S bataryalar için ileri düzey katot konakları ve ara tabaka malzemeleri olarak literatürde geniş bir araştırma alanı bulmaktadır. Bu tez kapsamında, yüksek iletkenliğe sahip bir MXene türevi olan Ti₃C₂Tx ile sülfür kompozit hale getirilerek katot malzemesi geliştirilmiştir. Islak kimyasal yöntemle sentezlenen bu kompozitin morfolojik ve yapısal özellikleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışınları kırınım analiziyle (XRD) karakterize edilmiştir. Elektrokimyasal performans değerlendirmeleri CR2032 tipi düğme hücrelerde gerçekleştirilmiş; 0.1C akım yoğunluğunda, Ti₃C₂Tx/S (MXene/S) kompozit katot 1030 mAh/g seviyesinde ilk deşarj kapasitesi sunarken, katkısız sülfür katot 745 mAh/g kapasite göstermiştir. 100 çevrim sonunda ise kompozit katot, kapasitesinin %70'ini koruyarak dikkat çekici bir çevrim kararlılığı sergilemiştir. Elde edilen veriler, MXene katkılı sülfür katotların, mekik etkisini azaltarak ve iletkenliği artırarak Li-S batarya sistemlerinin elektrokimyasal performansını önemli ölçüde iyileştirdiğini ortaya koymaktadır. Bu bağlamda, geliştirilen MXene/S kompozitleri, yüksek enerji yoğunluğu ve uzun çevrim ömrü gerektiren uygulamalar için potansiyel katot malzemesi olarak öne çıkmaktadır.