Sodyum iyon piller için karbon takviyeli yenilikçi katot elektrotların sentezi ve elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesi

Sürdürülebilir enerji alternatifleri, sürekli artan enerji ihtiyaçları, artan fosil yakıt tüketimi ve çevresel bozulma nedeniyle son on yılda küresel bir talep haline gelmektedir. Lityum iyon piller, taşınabilir elektronik cihazlarda yaygın olarak kullanılmaktadır ve genel olarak elektrikli araçlar, hibrit elektrikli araçlar için en iyi aday olarak kabul edilmektedir. Bununla birlikte lityum iyon pillere karşı artan talep, dünyadaki lityum rezervlerinin sınırlı olması ve yer kabuğundaki düzensiz dağılımı sebebiyle lityum fiyatlarında artışa yol açmaktadır. Lityum ile karşılaştırıldığında, sodyum rezervlerinin bolluğu ve düşük maliyeti nedeniyle enerji depolaması için ekonomik bir potansiyel sunar. Sodyum, lityuma benzer kimyasal özelliklere sahip ikinci en hafif ve en küçük alkali metal olarak, sürdürülebilir enerji depolama ihtiyaçlarını karşılamak için ideal bir alternatif olarak kabul edilmiştir. Sodyum iyon pillerin elektrokimyasal performansında ilerleme sağlamak için çok sayıda araştırmacı, yüksek performanslı elektrot malzemeleri üzerinde yoğun çaba göstermiştir. Sodyum iyon pillerin özgül enerji, özgül güç ve çevrim ömrü açısından elektrokimyasal performansı katot malzemeleriyle yakından ilişkilidir. Şimdiye kadar sodyum iyon piller için, tabakalı geçiş metal oksitleri, Prusya mavisi bileşikleri ve polianyonik bileşikler gibi bir dizi katot malzemesi geniş çapta incelenmiştir. Çeşitli katot malzemeleri arasında bulunan bir dizi katmanlı oksit (NaMO2, M= Cr, Co, Fe, Ti, V, Mn, Ni ve 2 veya 3 elementin karışımı), basit yapıları, yüksek kapasiteleri ve sentez kolaylığı nedeniyle sodyum iyon piller için iyi bir aday olmaktadır. Birçok katot malzemeleri arasında bulunan tabakalı P2 tipine sahip olan Na0.5Ni0.25Mn0.75O2 yapısında bulunan mangan, toprakta bol bulunması ve düşük maliyetli olması gibi avantajlara sahiptir. Yapıda bulunan bir diğer element olan Ni+2 iyon katkısı, yüksek voltajlarda (>4V) Mn+3 iyonunun çözünmesine önleyerek katmanlı yapıyı stabilize edip toplam hücre voltajını arttırması beklenir. Ayrıca Mn+3 iyonlarının Jahn-Teller distorsiyonunun neden olduğu ciddi kapasite azalmasının, katmanlı P2 tipi Na0.5MO2 bileşiklerine Ni+2 katkısı ile en aza indirilebileceği bilinmektedir. Bu yüksek lisans çalışmasında, Ni+2 katkılı Na0.5Ni0.25Mn0.75O2 katot malzemesinin hem elektrokimyasal hem de yapısal özellikleri grafen takviyesi yapılarak geliştirilmiştir. Bu kapsamda Na0.5Ni0.25Mn0.75O2 katot malzemesi sol-jel yöntemi ile takviye malzemesi olarak kullanılan grafen ise Hummers metodu ile üretilmiştir. Üretilen malzemelerin karakterizasyonu için X-ışını difraksiyonu (XRD), termogravimetrik analiz (TGA), diferansiyel termal analizi (DTA), alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM), elementel dağılım spektroskopisi (EDS) ve noktasal haritalama analizleri kullanılmıştır. Elektrokimyasal analizlerde empedans spektroskopisi (EIS), çevrimsel voltametri (CV) ve galvanostatik şarj/deşarj testleri yapılmıştır. Sentezlenmiş P2 tipi tabakalı Na0.5Ni0.25Mn0.75O2 katot aktif malzemesi 0,5C'de 2,2 ile 4 V potansiyel aralığında 250 döngü sonunda toplam kapasitesinin %80'ni korumuştur. P2 tipi elektrot ilk döngüde 130 mAh g-1'lik bir kapasite değeri sergilemiştir. Katot aktif elektrot malzemesinin 250 döngü sonunda elde edilmiş şarj-deşarj testleri aynı zamanda P2 tipi elektrotun oldukça umut vaat eden bir elektrot olduğunu göstermiştir.