Geri Dön

Tabakalı lityum metal oksit üretimi ve elektrokimyasal kapasitesinin incelenmesi

Layered lithium metal oxide production and investigation of its electrochemical capacity

PDF İndir

  1. Tez No: 771585
  2. Yazar: ALİ YALÇIN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MESUT AKGÜN, PROF. DR. MEHMET GÖNEN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Karbon dioksit, Katkılama yöntemleri, Katotlar, Lityum iyon pil, Pechini yöntemi, Carbon dioxide, Doping method, Cathodes, Lithium ion battery, Pechini method
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Dünya enerji tüketiminin hızlı bir şekilde artması, kömür ve petrol gibi enerji kaynaklarının azalmasına neden olmuştur. Enerji üretimi az, tüketimi ve enerjide dışa bağımlılığı fazla olan ülkeler, enerji konusunda daha çok araştırma ve kaynak yaratma çabası göstermesi gerekmektedir. Enerjinin yüksek miktarda kullanılması, enerjinin sadece anlık üretilip tüketilmesine değil, aynı zamanda enerjinin depolama teknolojisini de ortaya çıkarmıştır. Enerji depolama sistemlerinde bataryalar kullanılmaktadır. Lityum iyon bataryaları sayesinde, gelecekte elektrikli araçların sayısının artması beklenmektedir. Neticesinde, gelecekte taşıtlarda, petrol gibi fosil yakıtların kullanımının azalacağı düşünülmektedir. Aynı zamanda, araçlardan atmosfere salınan CO2 emisyonunda da büyük miktarda düşüş olacağı beklenmektedir. Petrolün gün geçtikçe azalması nedeniyle, araçlarda fosil yakıtların yerine daha yeşil, ucuz, CO2 emisyonuna sebep olmayan yakıtların ya da enerjilerin kullanılması gerekmektedir. Gelecekte, lityum iyon bataryalarının kullanıldığı elektrikli araçların daha popüler olacağı ve fosil yakıtlara dayalı araçların azalacağı düşünülmektedir. Lityum iyon bataryasındaki en önemli yapı, katot materyali olarak kullanılan lityum metal oksittir. Son 15 yılda, katot malzemesi olarak lityum metal oksitin (LiMO2, M=Co, Ni ve Mn vs.) kullanıldığı lityum iyon bataryası teknolojisi büyük gelişim göstermiştir. Sektörde, gelişmiş cihazlarda kullanmak için, daha kararlı, yüksek döngü performansına, yüksek enerji yoğunluğuna ve yüksek voltajda çalışabilen katot malzemelerine ihtiyaç duyulmaktadır. Son dönemlerde ise tabakalı ve katkılanmış lityumca zengin metal oksit [xLi2MnO3.(1-x)LiMO2 (0<x<1, M=Ni, Co, Mn vs.)] üretimi üzerine çalışmaların yoğunlaştığı görülmektedir. Tez kapsamında, basınçlı CO2 ve pechini yöntemleri ile Li1.2Mn0.52Ni0.2Co0.08O2 katot malzemesinin sentezi gerçekleştirilmiştir. Sentezi sırasında, uygulanan kalsinasyon şartlarının optimizasyonu yapılmıştır. Her iki yöntemde, Li1.2Mn0.52Ni0.2Co0.08O2 malzemesine, Sn ve Al katkılaması yapılarak, Sn katkılı-Li1.2Mn0.52SnxNi0.2-xCo0.08O2 (x=0.005; 0.010; 0.015 ve 0.020) ve Al katkılı-Li1.2Mn0.52AlxNi0.2-xCo0.08O2 (x=0.02; 0.04; 0.06 ve 0.08) katot malzemeleri üretilmiştir. Sentezlenen tüm katot malzemelerinden düğme piller hazırlanarak, pillerin elektrokimyasal performansları araştırılmıştır. Basınçlı CO2 yöntemi: Karakterizasyon ve elektrokimyasal performans çalışmalarına göre, optimum kalsinasyon şartlarının 900°C ve 5 saat olduğu belirlenmiştir. Bu şartlarda, sentezlenen katot malzemesinin, C/20'de, başlangıç şarj/deşarj kapasiteleri, sırasıyla, 320,66 ve 235,06 mAh/g olarak ölçülmüştür. Akım yoğunluğu C/10'dan, 3C'ye arttırıldığında, bu örneğin kapasite tutma değeri %58,80'ken, 120 döngü sonunda ise C/3'teki kapasite tutma değeri %86,37 olarak hesaplanmıştır. Basınçlı CO2 yönteminde, uygulanan optimum CO2 basıncının 77 bar olduğu saptanmıştır. CO2 kullanılmadan sentezlenen örneğin XRD kırınım pikleri, CO2 kullanılarak sentezlenen numuneninki ile benzerdir. Ancak, yüzey morfolojileri ile birlikte, elektrokimyasal özelliklerinde de önemli farklılıklar olduğu tespit edilmiştir. 900°C ve 5 saat kalsinasyon şartlarında sentezlenen örneğin BET yüzey alanı, 2,53 m2/g'ken, parçacık boyutları 0,2-1,1 mikron arasında değişim gösterdiği tespit edilmiştir. XPS analizi ile Li1.2Mn0.52Ni0.20Co0.08O2'nin yapısında Mn+4, Ni+2, Ni+3, Co+3 ve Co+2 katyonlarının varlığı bulunmuştur. 0.005 Sn katkılı katot malzemesinin, C/20'deki başlangıç şarj/deşarj kapasiteleri, sırasıyla, 352,78 ve 250,21 mAh/g olarak ölçülmüştür. Akım yoğunluğu C/10'dan, 3C'ye arttırıldığında, bu örneğin kapasite tutma değeri %45,12'ken, 120 döngü sonunda ise C/3'teki kapasite tutma değeri %93,17 olarak hesaplanmıştır. 0.005 Sn katkılama yapılan numune, diğer örneklere karşılaştırıldığında, daha az yük transferi direncine maruz kaldığı belirlenmiştir. İlk 5 döngü için, 0.005 Sn katkılı örneğin CV eğrileri, katkısız Li1.20Mn0.52Ni0.20Co0.08O2.00 örneğinkinden daha düzenli bir şekilde, üst üste örtüştüğü sonucuna varılmıştır. 0.02 ve 0.04 Al katkılı katot malzemelerinin, C/20'deki başlangıç şarj/deşarj kapasiteleri, sırasıyla, 374,57:247,46 ve 391,36:244,13 mAh/g olarak ölçülmüştür. Akım yoğunluğu C/10'dan, 3C'ye arttırıldığında, bu örneklerin kapasite tutma değerleri, sırasıyla, %42,36 ve %43,90'ken, 120 döngü sonunda ise C/3'teki kapasite tutma değerleri, %92,32 ve %92,79 olarak hesaplanmıştır. İlk 5 döngü için, 0.02 Al ve 0.04 Al örneklerinin CV eğrileri, katkısız Li1.20Mn0.52Ni0.20Co0.08O2.00 örneğinkinden daha düzenli bir şekilde, üst üste örtüştüğü sonucuna varılmıştır. Pechini yöntemi: Karakterizasyon ve elektrokimyasal performans çalışmalarına göre, optimum kalsinasyon şartlarının 900°C ve 10 saat olduğu belirlenmiştir. Bu şartlarda, sentezlenen katot malzemesinin, C/20'de, başlangıç şarj/deşarj kapasiteleri, sırasıyla, 288,70 ve 232,66 mAh/g olarak ölçülmüştür. Akım yoğunluğu C/10'dan, 3C'ye arttırıldığında, bu örneğin kapasite tutma değeri %26,38'ken, 120 döngü sonunda ise C/3'teki kapasite tutma değeri %88,65 olarak hesaplanmıştır. 0.015 Sn katkılı katot malzemesinin, C/20'deki başlangıç şarj/deşarj kapasiteleri, sırasıyla, 358,10 ve 247,59 mAh/g olarak ölçülmüştür. Akım yoğunluğu C/10'dan, 3C'ye arttırıldığında, bu örneğin kapasite tutma değeri %53,23'ken, 120 döngü sonunda ise C/3'teki kapasite tutma değeri %93,88 olarak hesaplanmıştır. İlk 5 döngü için, 0.015 Sn katkılı örneğin CV eğrileri, düzenli bir şekilde, üst üste örtüştüğü saptanmıştır. 0.04 ve 0.06 Al katkılı katot malzemelerinin, C/20'deki başlangıç şarj/deşarj kapasiteleri, sırasıyla, 379,02:244,44 ve 416,87:245,71 mAh/g olarak ölçülmüştür. Akım yoğunluğu C/10'dan, 3C'ye arttırıldığında, bu örneklerin kapasite tutma değerleri, sırasıyla, %34,28 ve %27,93'ken, 120 döngü sonunda ise deşarj kapasite tutma değerlerinde artış tespit edilmiştir. İlk 5 döngü için, 0.04 ve 0.06 Al katkılı örneklerinin CV eğrileri, düzenli bir şekilde, üst üste örtüştüğü görülmüştür. Li1.2Mn0.52Ni0.20Co0.08O2 katot malzemesinin elektrokimyasal performansları, basınçlı CO2 yöntemi ile 0.005 Sn, 0.02 Al ve 0.04 Al katkılaması yapılarak ve pechini yöntemi içinse 0.015 Sn, 0.04 ve 0.06 Al malzemeleri ile önemli derecede geliştirilmiştir.

Özet (Çeviri)

The rapid increase of energy consumption in the world has led to a decrease in energy resources such as coal and oil. Countries with low energy production but high energy consumption rate and are mostly dependent on foreign energy sources need to focus on energy and raise more funds to assist researches regarding energy. The high use of energy has not only led to its instantaneous production and consumption, but has also led to the energy storage technology. Batteries are used in energy storage systems. A significant increase in the number of electric vehicles is expected in the future with the help of lithium-ion batteries. Subsequently, it is thought that the use of fossil fuels (oil) in vehicles will decrease in the future. At the same time, it is predicted that there will be a significant decrease in the CO2 emissions released from vehicles into the atmosphere. Due to the daily decrease in oil deposit, it is necessary to replace fossil fuels with a more greener, cheaper, fuels or energies that do not cause CO2 emissions in vehicles. In the future, it is considered that electric vehicles using lithium-ion batteries will be more popular and the number of vehicles using fossil fuels will decrease. The most important component in a lithium-ion battery is lithium metal oxide which is used as the cathode material. In the last 15 years, there has been a great improvement in lithium-ion battery technology consisting of lithium metal oxide (LiMO2, M=Co, Ni and Mn etc.) as the cathode material. In the industry, cathode materials that are more stable, has high cycle performance, high energy density and can operate at high voltage are needed for use in advanced devices. Recently, researches on lithium ion battery have focused on the synthesis of layered and doped lithium-rich metal oxide [xLi2MnO3.(1-x)LiMO2 (0<x<1, M=Ni, Co, Mn, etc.)]. In this study, the synthesis of Li1.2Ni0.2Co0.08Mn0.52O2 cathode material was carried out by using pressurized CO2 and pechini method. During the synthesis of this cathode material, the calcination conditions applied were optimized. Sn doped- Li1.2Mn0.52SnxNi0.2-xCo0.08O2 (x=0.005; 0.010; 0.015 and 0.020) and Al doped- Li1.2Mn0.52AlxNi0.2-xCo0.08O2 (x=0.02; 0.04; 0.06 and 0.08) cathode materials were synthesized by doping Sn and Al into Li1.2Ni0.2Co0.08Mn0.52O2 in the reaction medium of both methods. To obtained by preparing half cells from the synthesized cathode materials, the electrochemical performances of batteries were investigated. Pressurized CO2 method: Based on the characterization and electrochemical performance studies, optimum calcination conditions were determined to be 900°C and 5 hours. The initial charge/discharge capacities of Li1.2Mn0.52Ni0.2Co0.08O2 cathode material calcined for 5 hours at 900°C were measured at C/20 to be 320.66 and 235.06 mAh/g, respectively. When the current density is increased from C/10 to 3C, the capacity retention of this sample is 58.80% and the capacity retention at C/3 after 120 cycles is calculated as 86.37%. In the pressurized CO2 method, it was determined that the optimum CO2 pressure applied was 77 bar. The XRD diffraction peaks of the sample synthesized without the use of CO2 are similar to that of the sample synthesized using CO2. However, it was noticed that there were significant differences in their electrochemical properties and surface morphology. The BET surface area of the sample synthesized at 900°C for 5 hours was 2.53 m2/g, while its particle sizes vary between 0.2-1.1 microns. According to the XPS analysis, the presence of Mn4+, Ni2+, Ni3+, Co3+ and Co2+ cations were observed in the chemical structure of Li1.2Mn0.52Ni0.20Co0.08O2. Initial charge/discharge capacities of 0.005 Sn doped-cathode material were measured at C/20 to be 352.78 and 250.21 mAh/g, respectively. When the current density is increased from C/10 to 3C, the capacity retention of this material is 45.12% and the its capacity retention at C/3 after 120 cycles is calculated as 93.17%. It was determined that 0.005 Sn doped-sample was exposed to less load transfer resistance when compared to the other doped-samples. It was concluded that for the first 5 cycles, the CV curves of the 0.005 Sn doped-sample overlapped more regularly than those of the undoped Li1.20Mn0.52Ni0.20Co0.08O2.00 sample. The initial charge/discharge capacities of 0.02 and 0.04 Al doped-samples were measured at C/20 to be 374.57:247.46 and 391.36:244.13 mAh/g, respectively. When the current density is increased from C/10 to 3C, the capacity retention of these samples are 42.36% and 43.90%, respectively, while the capacity retention at C/3 after 120 cycles are calculated as 92.32% and 92.79%. It was concluded that for the first 5 cycles, the CV curves of 0.02 Al and 0.04 Al doped samples overlapped more regularly than those of the undoped Li1.20Mn0.52Ni0.20Co0.08O2.00 sample. Pechini method: According to the characterization and electrochemical performance studies, optimum calcination conditions were determined to be 900°C and 10 hours. The initial charge/discharge capacities of Li1.2Mn0.52Ni0.2Co0.08O2 cathode material calcined at these conditions were measured at C/20 to be 288.70 and 232.66 mAh/g, respectively. When the current density is increased from C/10 to 3C, the capacity retention of this sample is 26.38% and the capacity retention at C/3 after 120 cycles is calculated as 88.65%. The initial charge/discharge capacities of 0.015 Sn doped-cathode material were measured at C/20 to be 358.10 and 247.59 mAh/g, respectively. When the current density is increased from C/10 to 3C, the capacity retention of this material is 53.23% and the its capacity retention at C/3 after 120 cycles is calculated as 93.88%. For the first 5 cycles, the CV curves of the 0.015 Sn doped samples were found to overlap regularly. The initial charge/discharge capacities of 0.04 ve 0.06 Al doped-samples were measured at C/20 to be 379.02:244.44 and 416.87:245.71 mAh/g, respectively. When the current density was increased from C/10 to 3C, the capacity retentions of these samples were 34.28% and 27.93%, respectively, it was detected at the end of 120 cycles that there was an increament in the capacity retention values. For the first 5 cycles, the CV curves of the 0.04 ve 0.06 Al doped samples were found to overlap regularly. The electrochemical performance of Li1.2Mn0.52Ni0.20Co0.08O2 material was significantly improved by doping 0.005 of Sn, 0.02 and 0.04 of Al using the pressurized CO2 method and by doping 0.015 of Sn, 0.04 and 0.06 of Al using the Pechini method into framework structure.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    467063

    Investigation of the effect of porosity in SnO2 nanofibers as anode materials for sodium-ion batteries

    Sodyum-iyon pilleri için SnO2 nanolif anot malzemesinde porozitenin etkisinin incelenmesi

    ERÇİN ÇAĞAN DURAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HÜSEYİN KIZIL

  2. Tez No

    246094

    Lityum iyon pillerde katot aktif madde olarak kullanılan LiMn2O4 bileşiğinin elektrokimyasal performansının artırılması

    Enhancement of electrochemical performance of LiMn2O4 as a cathode active material for lithium-ion batteries

    HALİL ŞAHAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    KimyaErciyes Üniversitesi

    Kimya Bölümü

    PROF. DR. ŞABAN PATAT

  3. Tez No

    853104

    Lityum iyon bataryalar için kobalt içermeyen düşük maliyetli katot elektrotlarının sentezi

    Synthesis of cobalt-free low-cost cathode electrodes for lithium-ion batteries

    SÜMEYYE KILIÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    EnerjiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET OĞUZ GÜLER

  4. Tez No

    865523

    Enerji depolama için grafen tabanlı üç boyutlu elektrot malzeme uygulamaları

    Graphene-based three-dimensional electrode material applications for energy storage

    DENİZ KURUAHMET

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    EnerjiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET OĞUZ GÜLER

  5. Tez No

    752152

    Graphene based materials obtained from graphite and polyacrylonitrile based carbon fiber for energy storage and conversion systems

    Enerji depolama ve dönüşüm sistemleri için grafit ve poliakrilonitril esaslı karbon fiberden grafen tabanlı malzemelerin üretilmesi

    MEHMET GİRAY ERSÖZOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ

    PROF. DR. YÜCEL ŞAHİN

Geri Dön