Sodyum iyon pillere üç boyutlu yenilikçi yaklaşımlar

Fosil yakıtların hızla tükenmekte olduğu son yüzyıllarda enerji giderek önemi artan bir konu haline gelmektedir. Ayrıca fosil yakıt tüketiminin neden olduğu çevre kirliliğinin giderek artmasıyla enerjinin verimli kullanılmasına ve fosil yakıtlar yerine kullanılabilecek yenilenebilir enerji kaynakları arayışına talep artmaktadır. Rüzgar, güneş, dalga, gibi bir çok enerji kaynağı vardır fakat bu kaynakların tamamı kesintilidir. Bu sebeple bu enerji kaynaklarından en iyi ve kesintisiz şekilde faydalanabilmek için enerji depolama sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Lityum iyon piller uzun çevrim kararlılığı ve yüksek enerji verimliliği gibi özelliklerinden dolayı büyük ölçekli enerji depolamada en yaygın kullanılan ikincil pillerdendir. Ancak lityum kaynakları tükenmektedir ve bu durum alternatif malzeme bulunmasını gerektirmektedir. Sodyum, düşük negatif redoks potansiyeli, küçük elektrokimyasal eşdeğeri ve lityum iyon pillerden yaklaşık olarak sadece %17 daha düşük spesifik enerji yoğunluğu gibi lityuma benzeyen özelliklere sahiptir. Bu nedenle lityuma alternatif olarak gösterilebilmektedir. Ayrıca yeryüzünde lityumdan çok daha fazla bulunabilmesi en büyük avantajlarından biridir. Fakat lityumdan daha büyük iyonik yarıçap ve molar kütleye sahip olması gibi dezavantajları bulunmaktadır. Sahip olduğu bu özellikler elektrokimyasal işlem sırasında daha yavaş Na+ difüzyonuna, daha büyük hacim genleşmesine ve yapı bozulmasına neden olmaktadır. Bu durumun sonucu olarak düşük döngü ve hız performansı ve düşük kapasite meyana gelmektedir. Sahip olduğu bu özellikler sodyum iyon pillerin gelişimini büyük ölçüde kısıtlamaktadır ve bu nedenle Na+ difüzyonu iyileştirilmiş, uzun çevrim sayılarına ve hız kapasitesine sahip, yüksek performanslı elektrotları geliştirmek oldukça önemlidir. Son yıllarda katot olarak Na+ iyonlarının difüze olabileceği geniş boşluklar oluşturan kovalent 3 boyutlu yapıya sahip sodyum süperiyonik iletkene (NASICON) odaklanılmıştır. 3 boyutlu yapıya sahip olan bu yapılar, sodyum iyonu hareketi için daha büyük bir interstisyel boşluk oluşturmakta ve malzemenin elektrokimyasal özelliklerini ve yapısal stabilitesini iyileştirmektedir. NASICON yapısına sahip katot malzemeleri içerisinde, Na3V2(PO4)3 kararlı 3 boyutlu ana çerçevesi sayesinde daha iyi termal kararlılık, daha uzun çevrim ömrü, ve yüksek performansa sahip olduğu için umut vadetmektedir. Anot olarak ise CuO ve SnO2 gibi metal oksitler dikkat çekmektedir. Gelecek vaat eden elektrot malzemesi olmasına rağmen düşük elektrik iletkenliğine sahip olması gibi önemli dezavantajları bulunmaktadır ve bu sebeple düşük hızlarda bile teorik kapasiteye tam olarak ulaşamamaktadırlar. Bu sorunun üstesinden gelmek için kullanılan çeşitli yöntemler bulunmaktadır. Grafen gibi ikincil fazların kullanılması bu yöntemlerden biridir. Grafen bir karbon allatropudur ve yüksek yüzey alanı çok yüksek elektronik, optik, termal ve mekanik özellikleri nedeniyle enerji depolama/dönüştürme sistemlerinde kullanılmaktadır. Fakat sınırlı elektron taşıma kanalı ve daha az aktif bölgeye sahip olma gibi kullanım alanını kısıtlayan özelliklere de sahiptir. Ayrıca, 2 boyutlu bu grafen tabakaları genellikle tabakalar arasındaki van der Walls bağlarından dolayı kurutma işlemi sırasında yeniden istiflenme eğilimi göstermektedirler. Sonuç olarak erişilebilir yüzey alanını azalmakta ve yetersiz elektron ve iyon taşınmasına sebep olmaktadır Bu durum da elektrotların yüksek hız performansını sınırlandırmaktadır. Bu nedenle, grafen tabakalardan hafif, yüksek yüzey alanına sahip ve 3 boyutlu gözenekli tabakalar üretilebilmektedir. Çok düşük yoğunluk ve yüksek gözenekliğe sahip bu 3 boyutlu grafen aerojeller yalnızca tabakaların yeniden istiflenmesini önlemekle kalmamakta, aynı zamanda yüksek iletkenlik ve geniş spesifik yüzey alanı gibi grafen levhaların özelliklerini de korumaktadır. Bu özellikler grafen aerojelin grafen ile kıyaslandığında daha geniş kullanım alanına sahip olmasını sağlamaktadır fakat sınırlı elektron taşıma kabiliyetleri ve zayıf yüzey polariteleri düşük elektrokimyasal performansa sebep olmaktadır. Bu sorun grafen aerojel bazlı kompozitler hazırlanarak çözülebilmektedir. Bu çalışmada ilk olarak anot olarak CuO ve SnO2 metal oksitleri ve katot olarak ise Na3V2(PO4)3 üretilmiştir. CuO nanoyapıları çökeltme yöntemi, SnO2 nanoyapıları sulu çözeltide geliştirme yöntemi ve Na3V2(PO4)3 çözücü buharlaştırma yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Daha sonra üretilen bu yapılar grafen oksit ile birlikte katkılı grafen aerojel üretimi için kullanılmıştır. Grafen oksitin indirgenmesi için L-askorbik asit kullanılmıştır. Karıştırma ve indirgeme işlemi tamamlandıktan sonra kapalı kapta ısıtma işlemine tâbi tutularak katkılı hidrojel yapıları elde edilmiştir. Ardından dondurarak kurutma yöntemi kullanılarak katkılı aerojel yapılar elde edilmiştir. Üretilen malzemeler iletken katkı maddesi, bağlayıcı ve çözücü ile ayrı ayrı karıştırılarak bir çamur formu elde edilmiş ve elde edilen çamur folyo üzerine homojen olarak sıvanmıştır. Vakum fırında kurutulan çamur yarım hücre için uygun ölçülerde kesilerek elektrot hazır hale getirilmiştir. Son olarak elde edilen elektrot, seperatör ve elektrolit eldivenli kutuda birleştirilerek yarım hücreler elde edilmiştir. Üretilen anot ve katot yapıların kristal yapılarının karakterizasyonu X-ışını kurınımı (XRD) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Numunelerin karakterizasyonu için Raman spektroskopisi ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) teknikleri kullanılmıştır. Yapıların morfolojilerini ve kimyasal bileşimini incelemek için alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM) ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) kullanılmıştır. Malzemedeki mikroyapıyı daha ayrıntılı analiz etmek için transmisyon elektron mikroskobundan (TEM) faydalanılmıştır. Tozların termal özelliklerini ve yapıdaki karbon miktarı analiz etmek için termal analiz (TGA) uygulanmıştır. Elde edilen yarım hücrelerin performansını test etmek için çevrimsel voltametri testleri (CV), elektrokimyasal döngü performansı testi, elektro-kimyasal empedans spektroskopisi (EIS), hız kapasitansı testi uygulanmıştır. Yapısal karakterizasyon analizleri CuO, GA-CuO, SnO2, GA-SnO2, Na3V2(PO4)3, GA-Na3V2(PO4)3 yapılarının başarılı bir şekilde sentezlendiğini göstermektedir. Yarım hücre testlerinin elektrokimyasal analizlerinin sonuçlarına göre ise katkılı elektrotların, garafen aerojelin gözenekli ve üç boyutlu yapısı sayesinde elektrotun yapı içerisindeki ıslanabilirliğini artırdığı ve sodyum iyonunun daha rahat difüzyonuna imkan sağladığı ve bu sayede artan çevrim sayısında daha iyi çevrim kararlılığı ve artan hızlarda daha yüksek kapasite elde ederek sodyum iyon piller için daha avantajlı bir elektrot malzemesi oluşturduğu gözlemlenmektedir. Elektrotlardaki çevrim sonrası değişiklikleri incelemek için 50., 100., ve 250. çevrimler sonunda XRD, FE-SEM ve Raman analizleri yapılmıştır. Çevrim sonrası analizlere bakıldığında, yapının az bir miktar bozulduğu ve çevrim sayısı arttıkça bu bozulmanın küçük miktarlarda arttığı gözükmektedir. Bu artış sodyum iyonunun tekrarlı interkalasyon ve deinterkalasyonu sonucunda yapıyı bir miktar bozmasına, yapıdaki kusurları artırmasına ve grafen tabakaları arası mesafeyi artırmasına atfedilebilmektedir. Yapıdaki bozulmanın az miktarda olmasının sebebi ise, grafen aerojelin gözenekli yapısının sodyum iyonlarının hareketini kolaylaştırmasından kaynaklanmaktadır.