Silisyum katkılı polimerik anot elektrotların verimliliğinin arttırılmasında karbondioksit ile tavlanmanın etkilerinin araştırılması

Abstract

Günümüzde kullanılan Li-iyon pil hücrelerinde anot olarak yaygın şekilde kısmen düşük spesifik kapasiteye sahip olan (370 mAh.g-1) grafit ya da karbon türevleri kullanılmaktadır. Silisyum ise mevcut elementler arasında en yüksek spesifik kapasiteye (~ 4000 mAh.g-1) sahip potansiyel anot malzemesidir. Ancak şarj-deşarj esnasında yapıda bulunan silisyum partiküllerinin tamamen parçalandığı ve katı elektrolit katmanı oluşturarak sistemde kapasitenin düşmesine neden oldukları bilinmektedir. Şarj-deşarj esnasında anot elektrotun yapısal düzeninin Li iyonlarının taşınımlarını ve dolayısıyla zaman içerisinde meydana gelen deformasyonu doğrudan etkilediği bilinmektedir. Dolayısıyla CO2 tavlaması ile elde edilen katkılı polimerik anot elektrot yapısının çevrimsel iyon transferi altındaki davranışı bu çalışmanın konusu olmuştur. CO2 ile tavlama sonrası pil performansında gerek yeniden düzenlenen polimer yapısının gerekse polimer/Si partikül etkileşimlerinin etkili olduğu düşünülmektedir. Bu nedenle kontrol numunelerine ve CO2 numunelerine su temas açısı, taramalı elektron mikroskobu ve atomik kuvvet mikroskobu ölçümleri uygulanmıştır. Bu ölçümler sonucunda artan CO2 basıncı ile su iticiliğinin ve yüzey pürüzlülüğünün arttığı tespit edilmiştir. Elektrotun yüzey enerjisinin düşmesinin (artan su temas açısı) elektrolitin difüzyonunu ve dolayısıyla polimerik elektrotun yapısının bozunmasını geciktirdiği ve böylece şarj deşarj çevrim ömrünü de geliştirdiği düşünülmektedir. Ayrıca artan yüzey pürüzlülüğü üzerinden elektrotun aktif yüzey alanının da arttığı ve bu kapsamda iyon transferinin ve dolayısıyla kapasitenin olumlu etkilendiği pil performans test sonuçlarında görülmektedir. Bu işlemde tam pil hücresi kullanılmış olup katot hücresi olarak LiCoO2 (LCO) tercih edilmiştir. Çalışmalar neticesinde CO2 sonrası ilk şarj kapasitesi 189 mAh/g olarak bulunmuş olup klasik hücreye kıyasla %37 gelişim elde edilmiştir.

Graphite or carbon derivatives with relatively low specific capacity (370 mAh.g-1) are widely preferred as anodes in Li-ion battery cells used today. On the other hand, silicon is the potential anode material with the highest specific capacity (~ 4000 mAh.g-1) among the available elements. However, it is known that the silicon particles in the structure completely disintegrate during charge-discharge and cause a decrease in the capacity of the system by forming a solid electrolyte layer. Plus, structural arrangement of the anode electrode during charge-discharge directly affects the transport of Li ions and thus the deformation that occurs over time. Therefore, the behaviour of the doped polymeric anode electrode structure obtained by CO2 annealing under cyclic ion transfer has been the subject of this study. It is thought that both the rearranged polymer structure and polymer / Si particle interactions are effective in battery performance after annealing with CO2. For this reason, water contact angle, scanning electron microscope and atomic force microscope measurements were applied to control and CO2 samples. In the light of these measurements, it was determined that water repellency and surface roughness increased with increasing CO2 pressure. It is believed that the decrease of the surface energy of the electrode (increasing water contact angle) delays the diffusion of the electrolyte and thus the degradation of the structure of the polymeric electrode, thus improving the charge-discharge cycle life. In addition, it is seen in the battery performance test results that the active surface area of the electrode increases thanks to the increasing surface roughness and in this context, ion transfer and thus the capacity are positively affected. In this study, a full battery cell was used and LiCoO2 (LCO) was preferred as the cathode. As a result of the study, the first charge capacity after CO2 was found to be 189 mAh / g, and an improvement of 37% was achieved compared to the classical cell.