Yumurta-kabuk morfolojili hibrit Si/grafen/KNT nanokompozit lityum iyon pil anotlarının geliştirilmesi

Lityum iyon piller günümüz piyasasında en yaygın olarak kullanılan elektrokimyasal enerji depolama sistemleridir. Güncel lityum iyon pillerde anot olarak kullanılan grafit gram başına 372 mAh enerji depolayabilmekte olup bu değer daha yüksek enerji yoğunluklu lityum iyon pillerin geliştirilmesi önünde engel olarak durmaktadır. Silisyum ise teorik olarak gram başına 4200 mAh enerji depolama kapasitesi ile yüksek enerji yoğunluklu lityum iyon pillerin üretilebilmesi için grafite en iyi alternatif anot malzemesi olarak görülmektedir. Çok yüksek miktarda enerji depolama kabiliyetine rağmen elektrokimyasal süreçlerde uğradığı sert hacimsel değişimler pratikte silisyumdan anot olarak faydalanılmasının önüne geçmiştir. Şarj ve deşarj işlemleri esnasında gerçekleşen yaklaşık %300 oranındaki hacimsel değişimler silisyum anodun kısa sürede mekanik hasara uğramasına neden olmakta ve hücreler çok küçük çevrim sayılarında kullanılamaz hale gelmektedirler. Bu tez çalışmasında silisyum anotların bahsedilen problemleri bertaraf edilerek yüksek çevrim ömrüne ve yüksek spesifik kapasiteye sahip kompozit silisyum lityum iyon pil anotlarının geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla ilk aşamada silisyum partikülleri hacimsel genleşmelerden kaynaklı mekanik hasarları engelleyecek olan yumurta-kabuk morfolojili partiküller şeklinde modifiye edilmiştir. Yumurta-kabuk morfolojisi, amorf karbon kabuğu ve içerisine hapsolmuş silisyum partikülü ile hacimsel genleşmeleri konuk edecek yeterli boş alanı sağlayarak çeşitli avantajlar sağlamaktadır. İkinci aşamada ise serbest elektrotlar elde edebilmek amacı ile yumurta-kabuk partikülleri iç içe geçmiş grafen ve karbon nanotüpten oluşan iskelet yapılarının içerisine dekore edilmişlerdir. Maksimum elektrot performansını sağlayan optimum anot kompozisyonunu belirlemek için belirli miktarlarda grafen, karbon nanotüp ve yumurta-kabuk silisyum partiküllerinden oluşmuş farklı anotlar üretilmiştir. Buna göre optimum kompozisyona sahip anot tarafından 500 çevrim sonunda 952 mAhg-1 spesifik kapasite sergilenmiştir. Anot kompozisyonu ve elektrot performansı arasındaki ilişkinin anlaşılması için detaylı morfolojik, faz analizi ve elektrokimyasal testler gerçekleştirilmiştir.