Fosfazen temelli organik katot malzemelerinin hazırlanması ve şarj edilebilir bataryalarda kullanılabilirlik potansiyellerinin araştırılması

Abstract

Enerji temininde sürekliliğinin önemli olduğu günümüzde, elektrik enerjisinin depolanmasını sağlayan sistemlerin başında gelen pillere ve pil türlerine olan ilgi giderek artmaktadır. Özellikle ticari olarak kullanılan lityum iyon piller ve daha güvenilir olarak değerlendirilen, yenilebilir kaynaklar ile çalışabilen sulu batarya türleri bu alanda öne çıkmaktadır. Pil uygulamalarında katot malzemesi olarak kullanılan anorganik maddelere alternatif olarak, yapısal çeşitliliği yüksek ve redoks kararlılığına sahip organik elektrot malzemelerine olan ilgiyi artmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında 9,10-antrakinon (AQ) ve piren-4,5,9,10-tetron (PTO) yapıları ile hekzaklorosiklotrifosfazenin nükleofilik sübstitüsyon reaksiyonu sonucunda halkalı fosfazen merkezli yapıları (5, 6) ile polifosfazen zinciri üzerine AQ, PTO bileşikleri ile dietilen glikol mono metil eter (DEGME) gruplarının reaksiyonu sonucunda oluşan lineer polifosfazen temelli kinon yapılarının sentezleri (8A, 8H, 9, 10, 11 ve 12) gerçekleştirilmiştir. Elde edilen fosfazen temelli kinon bileşiklerinin yapıları, uygun spektroskopik yöntemler kullanılarak (31P, 1H NMR, FT-IR, MALDI-TOF) aydınlatıldı. Ayrıca yapıların yüzey özellikleri (SEM) ve termal davranışları (DSC, TGA) incelenmiştir. Katot malzemesi olarak hazırlanan fosfazen temelli organik kinon bileşiklerinin, sulu çinko ve lityum iyon pil sistemleri için elektrokimyasal ölçümleri gerçekleştirilmiş ve bu maddelerin, pil çevrimi sırasında gerçekleşen yapısal değişimleri, (ex-situ) FT-IR ve XPS yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Olası elektrokimyasal mekanizmalarının açıklanması amacıyla DFT (yoğunluk fonksiyon teorisi) yöntemi kullanılarak teorik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Elde edilen fosfazen temelli organik kinon bileşikleri, katot aktif malzeme olarak kullanıldığında organik türlerine göre pillerin elektrokimyasal özelliklerini iyileştirdiği görülmüştür. Tez kapsamında hazırlanan anorganik-organik hibrit malzemeler gerek tasarım gerekse yöntem açısından karşılaşılan problemler için alternatif yeni bir sistem ve birçoğunun gösterdiği pil performanslarıyla da potansiyel katot malzemeler olarak kullanabileceği önerilmektedir.

Lithium-ion batteries, which are used commercially, and aqueous battery types that can work with renewable sources, which are considered more reliable, come to the fore in this field. As an alternative to inorganic materials used as cathode materials in battery applications, interest in organic electrode materials. Within the scope of this thesis, cyclic phosphazene-centered structures (5, 6) were synthesized by the nucleophilic substitution reaction of hexachlorocyclotriphosphazene and 9,10-anthraquinone (AQ) and pyrene-4,5,9,10-tetron (PTO). In addition, the syntheses of linear polyphosphazene-based quinone structures (8A, 8H, 9, 10, 11 and 12) formed by the reaction of AQ, PTO compounds and diethylene glycol monomethyl ether (DEGME) groups on the polyphosphazene chain were carried out. The phosphazene-based quinone compounds were elucidated using appropriate spectroscopic methods (31P, 1H NMR, FT-IR, MALDI-TOF). In addition, the surface properties (SEM) and thermal behavior (DSC, TGA) of the structures were investigated. Electrochemical measurements of phosphazene-based organic quinone compounds were carried out for aqueous zinc and lithium-ion battery systems. The structural changes of these substances during the battery cycle were investigated using (ex-situ) FT-IR and XPS methods. To explain possible electrochemical mechanisms, theoretical studies were carried out using the DFT (density function theory) method. When the obtained phosphazene-based organic quinone compounds were used as the cathode active material, it was observed that they improved the electrochemical properties of the batteries. It is suggested that inorganic-organic hybrid materials prepared within the scope of the thesis can be used as potential cathode materials with the battery performances shown by many of them.