Yenilikçi NFA-SiO2/C elektrot bileşenleri ile tam hücre lityum iyon pillerin geliştirilmesi

Bu doktora çalışmasında, yüksek enerji yoğunluğu ve uzun çevrim ömrü sunabilen yeni nesil lityum iyon pil elektrot malzemelerinin geliştirilmesi amacıyla nikel esaslı tabakalı katot yapıları ile SiO2 temelli anot malzemeleri tasarlanmış ve elektrokimyasal performansları sistematik olarak incelenmiştir. Katot tarafında üç farklı bileşimde LiNi0.8FexAlyO2 (NFA) malzemeleri sentezlenmiş; anot tarafında ise amorf SiO2 ve bunun karbon kabukla kaplanmış türevi olan SiO2/C malzemeleri geliştirilmiştir. Her iki elektrot sınıfı, çok yönlü yapısal ve morfolojik karakterizasyon yöntemleri ile incelenmiş ve ardından hem yarım hücre hem de tam hücre konfigürasyonlarında elektrokimyasal testlere tabi tutulmuştur. Çalışma kapsamında hem katot hem anot tarafında yapılan yenilikler, tam hücre performansına taşınarak literatürde sınırlı olarak ele alınmış özgün bir yaklaşım ortaya konulmuştur. Katot malzemeleri sol-jel yöntemi ile sentezlenmiş ve X-ışını kırınımı (XRD) analizleri sonucunda tüm numunelerin tabakalı R-3m yapıda olduğu, belirgin bir ikincil faz oluşmadığı tespit edilmiştir. Fe ve Al katkıları kafes parametrelerinde değişime yol açmış, özellikle Fe katkısının tabakalar arası mesafeyi artırarak Li⁺ difüzyon kinetiğini olumlu yönde etkilediği belirlenmiştir. SEM incelemeleri partiküllerin küresel ve homojen dağılıma sahip olduğunu, ancak Fe oranı arttıkça yüzey morfolojisinde düzensizliklerin oluştuğunu göstermiştir. TEM analizleri, tabakalı yapının korunduğunu ve kristalin düzenin Fe-Al katkıları ile stabilize edildiğini ortaya koymuştur. XPS sonuçları, Ni'nin farklı oksidasyon basamaklarında bulunduğunu, Fe ve Al katkısının yüzey oksidasyon dengesini sağladığını doğrulamıştır. Raman ve FTIR verileri, NFA1 numunesinde daha dar pik genişliği ve düzenli bağlanma karakteristikleri ile yapısal bütünlüğün daha yüksek olduğunu kanıtlamıştır. Elektrokimyasal performans açısından, üç katot arasında NFA1 numunesi öne çıkmış; 100 çevrim sonunda 148,34 mAh/g kapasite ve %83,22 kapasite korunumu ile en yüksek kararlılığı sergilemiştir. Fe oranının artışıyla çevrim ömrünün düştüğü gözlenmiş, bu da optimum Fe içeriğinin kritik önemini ortaya koymuştur. Co yerine Fe kullanımının hem çevresel ve ekonomik faydaları hem de yapısal stabiliteye katkısı bu çalışmada deneysel olarak doğrulanmıştır. Anot malzemeleri kapsamında, Stöber yöntemi ile sentezlenen SiO2 amorf yapıda ve küresel morfolojiye sahip elde edilmiştir. Karbon kaplama işlemi sonrasında elde edilen SiO2/C yapılarında, TEM ve XPS analizleri homojen karbon kabuğunu doğrulamış, Raman spektrumlarında grafitik D ve G bantları net olarak gözlenmiştir. FTIR analizleri, Si-O-Si bağlarının korunduğunu ve karbon kaplamanın yüzeye ek fonksiyonel gruplar kazandırdığını göstermiştir. Elektrokimyasal testler, saf SiO2'ye kıyasla SiO2/C'nin daha yüksek iletkenlik sunduğunu, hacim değişimlerini daha iyi tolere ettiğini ve kararlı bir SEI tabakası geliştirdiğini ortaya koymuştur. Böylece kapasite kaybı minimize edilmiş ve çevrim ömrü önemli ölçüde uzatılmıştır. xxii Tam hücre performansında, NFA1 katodu ile SiO2/C anodu birleştirilerek özgün bir hücre tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu tam hücre, başlangıçta 153,75 mAh/g kapasiteye ulaşmış, 100. çevrim sonunda ise 134,50 mAh/g kapasite ile %87,47 kapasite korunumu sağlamıştır. Ayrıca karşılaştırma yapmak için ticari NCA katodu ve SiO2/C anodu birleştirilerek tam hücre oluşturulmuştur. Oluşturulan tam hücre başlangıçta 158,41 mAh/g kapasiteye ulaşmış, 100. çevrim sonunda ise 129,68 mAh/g kapasite ile %77,84 kapasite korunumu sağlamıştır. Bu veriler ışığında nikelce zengin LiNiO2 türevi katotlarda demir ilavesi yapısal stabiliteyi ve redoks davranışını iyileştirerek kapasite performansını önemli ölçüde artırdığı tespit edilmiştir. Ayrıca NFA 1-SiO2/C ve NCA-SiO2/C tam hücrelerin C/10'den 2C'ye kadar artan akım hızlarında deşarj kapasiteleri karşılaştırılmıştır. Düşük akımda her iki hücre de yüksek deşarj kapasitesi vermiştir; ancak akım hızı arttıkça NCA hücresinde kapasite belirgin şekilde düşerken, demir katkılı NFA hücresi daha yüksek kapasite korumu sergilemiştir. NFA 1-SiO2/C tam hücre için çevrim öncesi ve 100 çevrim sonunda EIS testleri gerçekleştirilmiştir. Çevrim öncesi Rct değeri 93,50 ohm tespit edilirken çevrim sonrası bu değer 122,50 ohm olarak bulunmuştur. Elde edilen tüm veriler, NFA1-SiO2/C tam hücresinin literatürde nadir görülen, özgün bir kombinasyon olduğunu göstermekte ve özellikle elektrikli araçlar ile yüksek kapasiteli enerji depolama sistemleri için umut vadeden bir alternatif sunduğunu ortaya koymaktadır. Sonuç olarak, bu tez çalışmasıyla üç farklı NFA katodu arasında en iyi performansın NFA1 ile elde edildiği, Co yerine Fe ilavesinin yapısal ve elektrokimyasal performansı optimize ettiği, ayrıca SiO2'nin karbon kabuk ile kaplanmasının anot performansını belirgin şekilde iyileştirdiği deneysel olarak kanıtlanmıştır. Tüm bu bulgular, geliştirilmiş NFA 1-SiO2/C tam hücresinin hem akademik hem de endüstriyel açıdan yüksek potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Çalışma, yüksek enerji yoğunluğu, uzun ömür ve çevresel sürdürülebilirlik gibi temel parametrelerin birlikte sağlanabileceğini kanıtlayarak lityum iyon pil teknolojilerine özgün bir katkı sunmaktadır.