Ultrathin titanium dioxide coatings on carbon nanotubes for stable lithium oxygen battery cathodes

Fosil yakıtlar, yüksek enerji verimleri, dünyanın her yerine kolayca taşınabilmeleri, oldukça standart kullanım prensipleri ve dünyada oldukça yaygın olmaları gibi çok sayıda önemli özelliklerinden dolayı uzun bir süredir, özellikle ulaşım sektöründe, enerji kaynakları arasında en büyük paya sahiplerdir. Ancak fosil yakıt tüketimi sera etkisi oluşturan zararlı gazların salınımına yol açtığı için küresel ısınmaya neden olmakla beraber rezervleri de tükenmektedir. Oluşması milyonlarca yıl süren bir ürün oldukları göz önünde bulundurulunca, giderek artan enerji talebi durumu daha da kötü bir hale sokmaktadır. Bu nedenden dolayı son yarım yüzyılda yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgi her geçen gün artmaktadır. Buna rağmen yenilenebilir enerji kaynaklarının düzensiz yapısı onları oldukça kullanışsız bir seçenek haline getirmiştir. Enerji, yenilenebilir enerji kaynaklarından yalnızca belirli zamanlarda veya belirli mekanlardan elde edilebilir, örneğin, güneş enerjisinden bütün gün verim almak mümkün değildir ya da rüzgar türbinleri ancak yeterli rüzgar gücünün olduğu yerlerde verimli olur. Durum böyle olunca, bu değerli enerji kaynaklarından yararlanabilmek için akıllıca bir yaklaşıma ihtiyaç duyulmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen enerjiyi depolayıp gerektiğinde kullanımlarına olanak sağlayabilecek olan enerji depolama sistemleri, bahsedilen probleme mantıklı bir çözüm sunmaktadırlar. Teorik olarak oldukça yüksek enerji kapasitelerine sahip olan ve ulaşım sektöründe fosil yakıtlara alternatif olarak önemli bir gelecek vaat eden lityum oksijen (Li-O2) pilleri, enerji depolama sistemleri için iyi bir örnektir. Oksijen gazının aktif katot malzemesi olarak kullanılma özelliği Li-O2 pillerini, lityum iyon pillerine kıyasla yaklaşık olarak on kat daha fazla enerji kapasitesine ulaştırmış ve fosil yakıtlarla yarışabilir duruma getirmiştir. Buna rağmen Li-O2 pillerinin ticari bir teknoloji haline gelebilmesi için aşılması gereken bazı problemler vardır. Bu problemler genel olarak katot ile elektrolit arayüzünde meydana gelen istenmeyen yan ürünlerin oluşumuyla alakalıdır. Bu yan ürünler katot yüzeyinde birikip katotun elektriksel iletkenliğini düşürerek pil çevrimleri süresince kapasiteyi büyük ölçüde sürdürmektedirler. Özellikle karbon bazlı malzemeler, büyük yüzey alanı, düşük ağırlık, yüksek elektriksel iletkenlik ve iyi oksijen indirgenme reaksiyonu aktivitesi gibi Li-O2 pil katotları için oldukça faydalı özellikler barındırmalarına rağmen, pil çevrimlerine karşı dayanıklı değillerdir. Bu tez çalışmasının motivasyonu karbon nanotüplerin (CNT) Li-O2 pillerinde dayanıklılığını arttırıp yukarıda bahsedilen faydalı özelliklerinden yararlanılabilir hale getirmektir. Bunu yapabilmek için CNT'lerin yüzeyi ultra ince ve düzenli bir titanyum dioksit (TiO2) tabakasıyla, atomik tabaka kaplama (ALD) metodu kullanarak kaplanmıştır. TiO2 kaplanmadan önce, düzenli bir kaplama elde edebilmek için, CNT'lerin yüzeylerine etkili bir yüzey modifikasyonu işlemi uygulanmıştır. Kaplama özelliklerinin incelenmesi amacıyla geçirmeli elektron mikroskobu (TEM) ve X-ışını difraksiyonu (XRD) analizleri yapılmıştır. TiO2 kaplı CNT katotlarının dayanıklılığını kanıtlayan, miktarı azalan yan ürünlerin incelenmesi için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) analizleri yapılmıştır. TiO2 koruyucu tabakası katot degradasyonunu azaltarak yan ürün oluşumunu büyük ölçüde engellemiş ve saf CNT katotuyla karşılaştırıldığında tam kapasite pil çevrimlerinde üstün bir kapasite korunumu göstermiştir.