Heteroatom katkılanmış grafen temelli elektrotların üretilmesi ve Lityum iyon pillerde anot performanslarının incelenmesi

Abstract

Gün geçtikçe artan enerji ihtiyacı, hareketlilik ve buna bağlı olarak artan çevresel sorunlar, enerjinin verimli kullanılması gerekliliğini ortaya çıkarmış ve şarj edilebilir pil ve bataryalara olan talebin hızla artmasına neden olmuştur. Li-iyon piller yüksek kapasite ve döngü ömürleri nedeniyle şarj edilebilir piller arasında en çok tercih edilen pillerdir. Grafen, sahip olduğu sıra dışı özellikleri ile elektrokimyasal enerji depolama cihazlarında elektroaktif madde olarak umut vadetmektedir. Bu çalışma kapsamında, solvotermal yöntemle azot katkılanmış grafen (N-GN) ve silisyum-azot katkılanmış grafen (Si-N-GN) sentezlenmiş ve Li-iyon pillerde anot performansları test edilmiştir. Ürünlerin morfolojik yapıları enerji dağılımlı taramalı elektron mikroskobu (SEM-EDX) ve N2 adsorpsiyonu yöntemi ile kristal yapıları X-ışını kırınımı (XRD) ve Raman spektrometresi ile elementel bileşimi ve elementlerin bağlanma konfigürasyonları ise X-ışınları fotoelektron spektrometresi (XPS) ile karakterize edilmiştir. Buna göre, N-GN'nin sık istiflenmiş grafen tabakalarının birbirine bağlandığı, dairesel şekilli düzenli mikro- ve mezo-gözneklerden oluştuğu, Si-N-GN'nin ise dağınık halde çoklu grafen plakalarından oluşan bir yapıya sahip olduğu görülmüştür. N-GN ve Si-N-GN için spesifik yüzey alanları (SBET) sırasıyla 1350 m2/g ve 680 m2/g olarak hesaplanmıştır. XPS sonuçlarına göre N-GN'nin %5,4 (at.) oranında N, Si-N-GN'nin ise %2,5 (at.) N ve %5,5 (at.) Si içerdiği bulunmuştur. Ürünlerin Li-iyon pillerde anot olarak kullanılabilirliği çalışmaları kapsamında uygun kaplama yöntemi ve ayırıcının belirlenmesi ve elektrolitin geliştirilmesi çalışmaları yapılmıştır. Belirlenen optimum parametre ve hücre bileşenlerinde N-GN için 980 mAh/g, Si-N-GN için ise 815 mAh/g gibi grafenin teorik değerinin üstünde anot deşarj kapasitelerine ulaşılmıştır.