Karbon

Lityum iyonu interkalasyonu yapabilme yeteneğine sahip karbonlar kabaca grafitik ve grafitik olmayan şeklinde sınıflandırılabilir. Saf grafit, grafen tabakalarının mükemmel istiflenmesinden oluşmuş tabakalı bir yapıya sahiptir. Bu düzlemler karbon atomlarının hegzagonal bağlanması ile oluşmuş bazal düzlemlerdir ve yüksek

kristalin yapıdadır. Grafitik karbonlar bazı yapısal kusurlar ile karakterize edilen tabakalı bir yapıya sahiptir. Bazı karbonlar ise nispeten daha yüksek kusur içerirler veya turbostratik düzensizliktedirler.

Grafitik olmayan karbonlar daha kristalin (grafitik) olanlar ile birlikteki amorf alanlar ile karakterize edilirler. Bu karbonlar yumuşak karbon ve sert karbon olmak üzere iki sınıfa ayrılır. Şekil 3.2’de yumuşak ve sert karbon ve grafitteki C tabakalarının şematik görünümü verilmektedir. Bu karbonların hepsi Li-iyon piller için dikkatleri üzerlerine çekerler. Sony ilk jenerasyon piller için önce yumuşak karbonu seçmiş ancak daha sonra grafit ile çalışmıştır.

Şekil 3.2. Karbon tabakalarının farklı istiflenmesini gösteren karbon tipleri

Saf grafitte tabakalar istiflenmiştir ve kristalin yapıdaki grafit hegzagonal grafit şeklinde isimlendirilir. Bir lityum iyonu altı karbon atomunun arasına girer yani sınırlandırılmış bileşim LiC6’dır. Lityum iyonları tabakalar arasına girdiğinde düzlemlerin yeniden düzenlenmesi durumu ortaya çıkar. İki komşu düzlem direkt olarak birbirleri ile yüz yüze gelir (Şekil 3.3). Lityum iyonları yapı içine dağıldığında orijinal tabakalar arası mesafe artar (LiC6 için yaklaşık %10).

Negatif elektrotta Li iyonlarının interkalasyon/deinterkalasyon reaksiyonu aşağıdaki gibidir:

Li iyonlarının grafitik tabakalar arasına tamamen interkale olması (şarj) tabakalar arası mesafeyi 0,335 nm’den 0,372 nm’ye çıkartır ve bu genişleme deinterkalasyon ile (deşarj) tamamen geri döner. Uzun dönemde genişleme/daralma çevrimleri pilin çevrim yeteneği için zararlı olabilir. Fakat hücre yapısının optimizasyonu elektrot deformasyonunu dengelemeye izin verir ve grafit Li-iyon piller için geniş olarak kullanılan negatif elektrottur [24].

Şekil 3.3. Lityumun LiC6içindeki interkalasyonunun tabakalar arası düzeni (a) ve LiC6’nın düzlem içi yapısı

Grafitin bir allotropu olan karbon nano tüpler de Li-iyon piller için alternatif bir elektrot malzemesidir. 1991 yılında fulleren sentezinin bir ara ürünü olarak keşfedilen karbon nano tüpler ile ilgili çalışmalar o günden sonra çok hızlı bir şekilde ilerlemiştir [25]. Karbonun grafit, elmas ve fulleren gibi diğer allotroplarından farklı olarak karbon nano tüp 1000’i aşan boy-çap oranı ile tek boyutlu (1D) bir malzemedir (Şekil 3.4). Bir grafen tabakasından yuvarlanarak elde edilmiş silindirlerdir.

İki tip karbon nano tüp vardır: Tek duvarlı karbon nano tüpler (TDKNT) ve çok duvarlı karbon nano tüpler (ÇDKNT). Tek duvarlı karbon nano tüpler tek bir grafen tabakasından oluşurken çok duvarlı karbon nano tüpler ise bitişik tabakalar arası Van der Waals kuvvetleri ile tutunan iki veya daha fazla grafen tabakasından oluşur. KNT sentezi için geliştirilmiş dört temel metot vardır; ark buharlaştırma, lazer buharlaştırma, hidrokarbonlardan kimyasal buhar biriktirme ve karbon monoksitten gaz-fazı katalitik büyütme. Ark buharlaştırma ve lazer buharlaştırma yöntemleri seri üretim için uygun yöntemler değilken kimyasal buhar biriktirme gibi gaz fazı teknikleri düşük maliyetli ve büyük miktarlarda üretim için uygundur.

Şekil 3.4. Farklı karbon malzemelerinin yapıları

Mükemmel yapıdaki karbon nano tüplerin kimyasal bağlanması sp2

karbon-karbon bağlarından oluşmaktadır. Bu bağlanma yapısı elmasta bulunan sp3bağlarından daha kuvvetlidir ve KNT’lere mükemmel mekanik özellikler kazandırır. Teorik ve deneysel sonuçlar 1.2 TPa Young modülü ve 50-200 GPa çekme mukavemeti ile KNT’ler dünyadaki en güçlü ve rijit malzemedir. Bu mekanik özelliklerin yanında KNT karbonun diğer allotropları içinde elektriksel ve termal özellikleri açısından birçok avantaja sahiptir. Bu özellikler KNT’yi alan emisyonu, termal iletkenler, enerji depolama, iletken katkılar, termal malzemeler, yapısal malzemeler, fiberler, katalizör kaynaklar, biyolojik uygulamalar, hava ve su filtrasyonu, seramikler ve diğer birçok uygulama için ideal bir malzeme yapar.

Li-iyon pillerdeki son gelişmeler yeni elektrot malzemesi olarak Li depolama

bileşikleri içinde KNT ile birleşerek hibrit nano yapıların tasarımını da içermektedir. Li-iyon piller için KNT’lerin kullanışlı özellikleri çok büyük spesifik yüzey alanı boyunca mekanik ve taşınım özellikleri ve Li ile etkileşim için daha erişilebilir yapısıdır [26].

Karbon nano tüpler çok iyi fiziksel, kimyasal, elektrik ve mekanik özelliklerinden dolayı tek başlarına kullanımlarının yanında diğer malzemeler ile kompozit

oluşturarak da üstün özellikli malzeme üretimine katkıda bulunmaktadır. KNT takviyeli kompozit üretiminde homojen dağılım sağlamak ve aglomere olmayı engellemek karşılaşılan problemlerdendir [27]. Kompozit üretiminde bu problemi aşmak ve Li-iyon pillerde herhangi bir takviye içermeyen KNT serbest elektrotlar için KNT kağıtlar (buckypaper) üretilmektedir. KNT kağıt, karbon nano tüplerin uçlarında ki van der Walls bağları tarafından birbirine rastgele tutunmuş, kendi kendini destekleyen KNT ağlarıdır. KNT kağıtlar; iyi disperse edilmiş KNT çözeltisinden vakum filtrasyon veya sıkıştırma yöntemi ile üretilebilir. KNT kağıtların son özellikleri KNT çözeltisinin konsantrasyonuna, sonikasyon süresine, vakum basıncına, nano tüplerin üretim metotları ve/veya yüzey fonksiyonelleştirmelerine göre değişir. KNT kağıtlar radyo frekansı filtreleri, pil elektrotları, gaz ayırıcılar, aktüatörler, alan yayıcılar, sensörler ve kapasitörler gibi alanlarda ve kompozit üretiminde kullanılır [28].