Bu tez çalışmasında lityum iyon pillerde silisyum esaslı elektrotların elektrokimyasal çevrim ömürlerinin ve kapasitelerinin geliştirilmesi için Si/Metal kompozit elektrot yapılarından Si/Cu, Si/Ni ve Si/Co kompozit elektrotlar akımsız kaplama tekniği ile başarılı bir şekilde üretilmiştir. Yine aynı şekilde Si/Karbon kompozit yapılarından, Si/ÇDKNT ve Si/KNF/ÇDKNT kompozit elektrotlar mekanik alaşımlama yöntemi ile başarılı bir şekilde üretilmiştir. Üretilen silisyum esaslı kompozit yapılar Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Enerji Dağılım Spektrometresi (EDS), X-ışınları Difraksiyonu (XRD), Raman Spekroskopisi yöntemleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Üretilen elektrotların elektrokimyasal testleri CR2016 test hücrelerinde gerçekleştirilmiştir. CR2016 test hücrelerinin yardımı ile silisyum esaslı kompozit elektrotların elektrokimyasal çevrim test, çevrimsel voltametri ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi analizleri gerçekleştirilerek, silisyum esaslı elektrotların kapasite korunumlarındaki artış ve elektrokimyasal özelliklerindeki iyileşme mekanizmaları nedenleri ile tartışılmıştır. Bu tez çalışması sonucunda aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir.
1. Si/Cu kompozit elektrotlar akımsız kaplama yöntemi ile kabuk:çekirdek yapısı oluşturacak şekilde başarılı birşekilde üretilmiştir.
2. Bakır kaplama banyosu içerisinde CuSO4 konsanstrasyonunun artışı ile silisyum tozlarının yüzeyine biriken bakır miktarı artmıştır.
3. Bakır kaplama banyosu içerisinde CuSO4 konsanstrasyonunun artışı ile silisyum tozlarının yüzeyinde biriken bakır tanelerinin tane boyutu 22.9 nm değerinden 30.4 nm değerine yükselmiştir.
4. Silisyum yüzeyinde biriken bakır tanelerinin miktarı arttıkça, Nyquist yarı çemberinin çapı 298 Ω değerinden 86 Ω değerine düşmüştür. Elektrodun iletkenliği artmış ve yük transfer direnci azalmıştır.
5. Silisyum yüzeyinde briken bakır tanelerinin miktarı arttıkça, elektrotların kapasite korunumları artmış ve 40 g/l CuSO4 konsantrasyonu kullanılarak üretilen Si/Cu kompozit elektrot 30 çevrim sonunda 230 mAh/g deşarj kapasitesi göstermiştir.
6. Si/Ni kompozit elektrotlar akımsız kaplama yöntemi ile kabuk:çekirdek yapısı oluşturacak şekilde başarılı birşekilde üretilmiştir.
7. Nikel kaplama banyosu içerisinde NiCl2 konsanstrasyonunun artışı ile silisyum tozlarının yüzeyine biriken nikel miktarı artmıştır.
8. Nikel kaplama banyosu içerisinde NiCl2 konsanstrasyonunun artışı ile silisyum tozlarının yüzeyinde biriken nikel tanelerinin tane boyutu 13 nm değerinden 16 nm değerne yükselmiştir.
9. Silisyum yüzeyinde biriken nikel tanelerinin miktarı arttıkça, Nyquist yarı çemberinin çapı 298 Ω değerinden 74 Ω değerine düşürmüş, elektrot iletkenliğini arttırırken, yük transfer direncini azaltmıştır.
10.Silisyum yüzeyinde briken nikel tanelerinin miktarı arttıkça, elektrotların kapasite korunumları artmış ve 40 g/l NiCl2 konsantrasyonu kullanılarak üretilen Si/Ni kompozit elektrot 30 çevrim sonunda 246 mAh/g deşarj kapasitesi göstermiştir.
11.Si/Co kompozit elektrotlar akımsız kaplama yöntemi ile kabuk:çekirdek yapısı oluşturacak şekilde başarılı birşekilde üretilmiştir.
12.Kobalt kaplama banyosu içerisinde CoSO4 konsanstrasyonunun artışı ile silisyum tozlarının yüzeyine biriken kobalt miktarı artmıştır.
13.Kobalt kaplama banyosu içerisinde CoSO4 konsanstrasyonunun artışı ile silisyum tozlarının yüzeyinde biriken kobalt tanelerinin tane boyutu 22,1 nm değerinden 27,3 nm değerine yükselmiştir.
14.Silisyum yüzeyinde biriken kobalt tanelerinin miktarı arttıkça, Nyquist yarı çemberinin çapı 208 Ω değerinden 107 Ω değerine düşmüştür. Elektrodun
iletkenliği artmış ve yük transfer direnci azalmıştır.
15.Silisyum yüzeyinde briken bakır tanelerinin miktarı arttıkça, elektrotların kapasite korunumları artmış ve 40 g/l CoSO4 konsantrasyonu kullanılarak
121
üretilen Si/Co kompozit elektrot 30 çevrim sonunda 208 mAh/g deşarj kapasitesi göstermiştir.
16.Si/ÇDKNT nanokompozit elektrotlar farklı ÇDKNT takviyesi ile mekanik alaşımlama yöntemi kullanılarak başarılı birşekilde üretilmiştir.
17.ÇDKNT içeriği kompozit yapı içerisinde arttırıldığında ÇDKNT’lerin gözenekli iletken bir ağ yapısı oluşturduğu belirlenmiştir.
18.ÇDKNT miktarındaki artış karbon pikinin (002) ve (101) düzelemlerindeki piklerin şiddetinde artışa sebep olmasına rağmen, kristal silisyumun yapısında herhangi bir değişikliğe sebep olmamıştır.
19.ÇDKNT takviyesininin kompozit elektrot yapısında artması, kompozit elektrot yapısının yüzey alanını arttırdığı için SEI reaksiyonun oluşumunda da bir artışa sebep olmuştur.
20.ÇDKNT takviyesi kompozit anot içerisinde arttıkça elektrodun iletkenliği artmış ve lityumun silisyum yapısından ayrılma reaksiyonu daha düşük voltajlarda gerçekleşmiştir.
21.ÇDKNT takviyesinin artışı çevrimsel voltemetri eğrilerinde pik şiddetlerinde artışa sebep olmuştur. Bu artış ÇDKNT takviyesinin artışı ile elektrotun elektrokimyasal reaksiyonun geliştirildiği anlaşılmaktadır.
22.ÇDKNT takviyesindeki artış elektrodun akım toplayıcı ile bağlantı direncnin yanı sıra, yük transfer direncinide düşürmüştür.
23.ÇDKNT takviyesindeki artışın elektrodun parçalanıp dağılmasını engellediği tespit edilmiştir.
24.ÇDKNT takviyesinin kompozit elektrot yapısında artışı elektrotların başlangıç kapasite değerlerini düşürürken, kapasite korunumlarında artışa sebep olmuştur.
25.Ağırlıkça % 50 ÇDKNT takviyesi içeren SC50 kompozit elektrot yapısı 30 çevrim sonunda 757 mAh/g deşarj kapasitesi göstermiştir.
26.SC50 kompozit elektrot seçilen çevrimler sonrasında farklı akım hızlarına maruz bırakılmasına rağmen 30 çevrim sonunda çok az bir kapasite kaybı ile 645 mAh/g deşarj kapasitesi göstermiştir.
27.PAN polimerinin pirolizi ile Si/KNF kabuk:çekirdek kompozit yapısı başarılı bir şekilde elde edilmiştir.
28.Si/KNF/ÇDKNT kompozit elektrotlar mekanik alaşımlama yöntemi ile başarılı bir şekilde üretilmiştir.
29.Ağırlıkça % 50 ÇDKNT takviyesi Si/KNF kabuk:çekirdek yapısının oluşumunu engellemiş ve silisyum tozları ÇDKNT tozları arasıda gömülü kalmıştır.
30.KNF yapısının, karbonun D ve G bantlarından oluşmasına karşın, ÇDKNT yapısının D, G ve GI yapılarından oluştuğu Raman spektroskopisi ile belirlenmiştir.
31.KNF ve ÇDKNT takviyelerinin silisyum ile lityum iyon arasındaki reaksiyonu hızlandırdığı ve geliştirdiği belirlenmiştir.
32.Ağırlıkça %30 SPC30 nanokompozit elektrot 100 çevrim sonunda 1127 mAh/g deşarj kapasitesi göstermiştir.
33.SPC30 nanokompozit elektrot farklı çevrim sayılarında farklı akım hızlarının uygulanması suretiyle zorlanmasına rağmen başlangıç akımına geri dönüldüğünde çok düşük bir kapasite kaybı ile 1107 mAh/g deşarj kapasitesi göstermiştir.
Sonuç olarak inaktif bileşenli kompozit anotlar içerisinde 40 g/l NiCl2 hammadde konsantrasyonu kullanılarak üretilen Si/Ni kompozit anot, 30 çevrim sonunda 246 mAh/g’lık deşarj kapasite değeri ile en yüksek deşarj kapasitesi ve çevrim ömrü davranışını göstermiştir. Aktif bileşenli kompozit anotlar içerisinde ise SPC30 kodlu ağırlıkça %30 ÇDKNT takviyesi yapılmış Si/KNF/ÇDKNT kompozit anot, 100 çevrim sonunda 1127 mAh/g deşarj kapasitesi değeri ile en yüksek kapasite korunumu ve çevrim ömrü davranışını sergilemiştir.