Synthesis and characterization of LiMPO4 (Mn(II), Fe(II), Co(II), Ni(II))

Lityum demir fosfatların, lityum iyon pilleri için katod malzeme olarak ortaya çıkmasının ardından, mezogözenekli lityum metal fosfat tuzları kapsamlı bir şekilde çalışıldılar. Bu malzemeler adapte edilebilir ve lityum iyon bataryalar için kullanışlı bulundular. Bu çalışma mezogözenekli LiMPO4'ların (M= Mn(II), Fe(II), Co(II) ve Ni(II)) eriyik tuz yardımlı kendiliğinden oluşma (EYKO) yöntemi kullanılarak, liyotropik sıvı kristal (LSK) ara fazlarından sentezlenmelerini ve karakterizasyonlarını kapsamaktadır. Bir kere optimize edildikten sonra şeffaf çözeltilerin ve LSK'ların hazırlanması oldukça zahmetsiz bir işlemdir. Sırası ile önce şeffaf çözelti, lityum metal fosfatın sentezi için hazırlanır ardından çevirme veya damlatıp kurutma yöntemi ile cam üzerine kaplanır. Kaplanmış filmler mezogözenekli lityum metal fosfat yapmak için yakılır. Bu tezde, mezogözenekli LiMPO4 (M= Mn(II), Fe(II), Co(II) ve Ni(II)) uyarlanmış EYKO metodu ve yumuşak taslak olarak 10-lauryl eter kullanılarak hazırlanmış ve çoklu analitik teknikler yardımı ile karakterize edilmiştir. (FTIR, PXRD, SEM, EDX ve N2 adsorpsiyon-desorpsiyon). Tezin başında çözeltilerin kararlılıkları zamana, pH'a ve derişime bağlı değişimleri incelendi. Yüzey aktif ajanın tuz ve asit miktarına olan oranına bağlı olarak çözeltilerin derişimleri ve zaman içinde çökme süreleri arasında bir ters ilişki bulundu. Bu bölümde devam edilerek, çözelti dengesinin aynı zamanda pH'a bağlı olduğu LiNO3 yerine LiOH kullanılarak bulundu. Fark edildiği üzere yüksek pH değerlerinde çözeltiler daha karasız olduğu ve daha çok çökelti oluşturdu. Mn(II), Fe(II), Co(II) ve Ni(II) kullanılarak hazırlanan çözeltiler cam üzerine çevirme ve damlatıp kurutma yöntemleri ile kaplandılar. Bu iki yöntem içinden istenilen malzemeyi, istenilen miktarda ve morfolojide veren seçildi. Mn(II) sistemi kullanılarak, geniş bir derişim aralığında deneme yapıldıktan sonra seyreltik, orta ve derişik tuz ve aside karşı yüzey aktif ajanın oranları temsilen üç derişim seçildi. Yaşlandırma ve sıcaklığa bağlı değişimler, mezofazların oluşumu ve tepkimeler FTIR ile takip edildi. Sıcaklığın mezoyapı üzerinde ciddi bazı etkileri olduğu bulundu. Mezofaz sıcaklık artışı ile yapısal düzenini kaybettiği belirlendi. Aynı davranış biçimi tuz asit miktarlarının arttırılması sonrasında da gözlemlendi. Tuz derişimleri arttıkça, mezofazı bozmak için gereken sıcaklıkta düşmektedir. FTIR spektroskopi çalışması, ciddi miktarda nitrat türünün ve yüzey aktif ajanın moleküllerinin 160oC'de ortamdan atıldıklarını tespit etmiştir. Yüzey aktif ajanını tamamen atmak için en düşük yakma sıcaklığı 250oC olarak belirlenmiştir. Mn(II) tuzunun seyreltik çözeltilerinin her iki yöntem ile kaplamasından sonra elde edilen numuneler 250, 350 ve 450oC'lerde yakıldılar ve XRD, FTIR ve SEM teknikleri ile karakterize edildiler. Damlatıp kurutma yönteminin, çevirme yöntemine yerine, çevirme yöntemi istenilen malzemeyi üretmede başarısız olduğu ve başka metal fosfatlar ürettiği için seçildi. LiMnPO4, LiFePO4, LiCoPO4 ve LiNiPO4 damlatıp kurutma yöntemi ile sentezlendiler ve XRD, FTIR, SEM, EDX ve N2 adsorpsiyon-desorpsiyon teknikleri ile karakterize edildiler. Bu malzemelerin mezogözenekli oldukları ve bazı yan ürünler ile kayda değer yüzey alanlarına sahip oldukları anlaşıldı. LiMnPO4 ve LiCoPO4 için gözenekler geniş ve düzensiz ancak LiFePO4 ve LiNiPO4 için gözeneklerin dar (3 – 6 nm) olduğu belirlendi. Yüzey alanı, yapılan gözlemlere uygun olarak en yüksek nikel numunelerinde 96 m2/g olarak kaydedildi. Gözenekler numunelerin tavlama sıcaklıklarına bağlı olarak adım adım genişlemekte ve her durum içinde düzensiz olmaktadır. Tespit edilememiş kristal fazlar yapının tanımlanması ve istenilen malzemenin elde edilebilmesi için daha çok optimizasyon gerektirmektedir.