Tam katı hal lityum sülfür piller için argyrodıte tipi Li₆PS₅Cl ve Li₇P₃S11 katı elektrolitlerin geliştirilmesi

Gelişen enerji depolama teknolojileri, özellikle elektrikli araç uygulamaları için yüksek enerji yoğunluğuna sahip güvenli sistemler arayışını artırmıştır. Son yıllarda yüksek performanslı katı hal lityum-sülfür (SSLS) pilleri, daha yüksek enerji yoğunlukları ve lityum-iyon pillerine kıyasla geliştirilmiş güvenlik özellikleri sağlama potansiyelleri nedeniyle önemli bir ilgi görmüştür. Lityum-sülfür (Li-S) piller, teorik olarak çok yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmaları nedeniyle gelecekteki enerji depolama teknolojileri için umut verici bir aday olarak değerlendirilmektedir. Ancak, bu pillerin pratik kullanımı, elektrot-elektrolit arayüzündeki kararsızlık nedeniyle performans kayıpları ve döngüsel stabilite problemleri gibi zorluklarla karşı karşıyadır. Bu tezde, argyrodite katı elektrolitlerinden Li₆PS₅Cl ve Li₇P₃S₁₁'in lityum-sülfür pillerdeki davranışları, özellikle lityum metal (Li-metal) ve lityum-silisyum (Li-Si) kompozit anotlarla kombinasyonları incelenmiştir. Çalışmanın temel amacı, bu katı elektrolitlerin farklı anot malzemeleriyle birlikte stabilitelerini, iyonik iletkenliklerini ve döngüsel performanslarını karşılaştırarak değerlendirmektir. Li₆PS₅Cl ve Li₇P₃S₁₁ elektrolitlerinin sentezi katı hal reaksiyon yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen yapıların kristalografik özellikleri ve faz saflığı ile morfolojik özellikleri X-ışını difraksiyonu (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir. Bu katı elektrolitler, özellikle iyonik iletkenlik ve kimyasal stabilite açısından oldukça umut verici özellikler göstermektedir. İyonik iletkenlikleri, bu malzemelerin katı hal lityum pillerinin geliştirilmesinde kritik öneme sahip olduğu için elektrokimyasal empedans spektroskopisi yöntemi kullanılarak farklı koşullarda detaylı bir şekilde incelenmiştir. Elektrokimyasal hücreler Li-metal ve Li-Si anotları kullanarak hazırlanmış ve bu elektrotlar, sırasıyla Li₆PS₅Cl ve Li₇P₃S₁₁ katı elektrolitleriyle birleştirilmiştir. Bu hücrelerin elektrokimyasal performansı, ve reaksiyon mekanizmaları, doğrusal tarama voltametrisi (LSV), elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS), çevrimsel voltametri (CV) ve şarj/deşarj döngü testi gibi çeşitli elektrokimyasal testlerle değerlendirilmiştir. Li₇P₃S₁₁ ile Li₆PS₅Cl'nin özellikle lityum-silisyum alaşımıyla birlikte kullanıldığında hem daha yüksek iyonik iletkenlik değerleri sunduğunu hemde alaşımın toz olması fiziksel olarak pile, montajının daha kolay olması, katı hal pillerinde tercih edilebilir bir elektrot malzemesi olduğunu göstermektedir. Li₆PS₅Cl elektrolitinin Li-metal anodu ile stabil ve verimli bir arayüz sağladığını, ancak çok sayıda döngü sonrası kapasite kaybı yaşandığını göstermektedir. Bununla birlikte, Li-si anodu, Li₆PS₅Cl elektroliti ile LSV analizinde kararsılıklar gözlemlense de şarj-deşarj testlerinde daha iyi döngüsel stabilite sergilemekte ve kapasite kaybı daha az gözlemlenmektedir. Bu çalışmanın bulguları, katı elektrolitlerin stabilitesinin, katı hal lityum-sülfür pillerinin uzun dönem performansı üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu ortaya koymaktadır. Li-metal anot ile Li₇P₃S₁₁ katı elektrolit kombinasyonu kullanılarakyapılan şarj-deşarj ilk döngüde yaklaşık 550 mAh/g seviyesinde kapasite sağlanırken 10. çevrimde verimlilik %98.18, 20. çevrimde ise verimlilik %87.27 olarak bulunmuştur. Li-si anot ile Li₇P₃S₁₁ katı elektrolit kombinasyonunda ise ilk döngüde yaklaşık 1450 mAh/g kapasite sağlanırken 100. çevrimde verimlilik %52.41. Li-metal ile Li₆PS₅Cl kombinasyonu kullanılarak yapılan şarj-deşarj döngüleri ilk döngüde 582 mAhg⁻¹ kapasite gözlemlenmekte olup, döngü sayısı arttıkça sırasıyla 10. çevrim 510 mAhg⁻¹ verimlilik %87.6, 20. çevrimde 430 mAhg⁻¹ verimlilik %73.9 olarak gözlemlenip kapasitede azalma yaşanmaktadır. Li-si anot ve Li₆PS₅Cl katı elektrolit kombinasyonu kullanılarak yapılan şarj-deşarj döngülerinde ilk döngüde 940 mAh/g kapasite sağlanmakta olup 100. çevrimde verimlilik %58.51 olarak gözlemlenmektedir. Li-Si anodu ile Li₆PS₅Cl elektroliti kombinasyonunun yüksek performanslı piller için büyük potansiyel taşıdığı, ancak kapasite kayıplarını azaltmak ve döngü ömrünü iyileştirmek amacıyla daha fazla optimizasyon yapılması gerektiği sonucuna varılmıştır. Bu tez, katı hal lityum-sülfür pillerinin ticari kullanımı için önemli bir temel sunmakta ve gelecekte daha gelişmiş elektrolit malzemelerinin ve anot-elektrolit arayüz stabilitesinin iyileştirilmesi gerektiğini vurgulamaktadır.