Sodyum iyon bataryalar için kalay esaslı malzemelerin eldesi ve anot elektrot olarak kullanım potansiyellerinin incelenmesi

Abstract

Yüksek enerji yoğunluklu ve uzun çevrim ömrüne sahip Li-iyon bataryalar, taşınabilir cihazlarda oldukça dikkat çekici enerji depolama sistemleridir. Artan talepler ve azalan lityum kaynakları berababerinde lityum tuzu ve metalinin fiyatının yükselmesine sebep olmuştur. Bundan dolayı, Li-iyon bataryalar büyük ölçekli enerji depolama sistemleri için düşünülememektedir. Bu nedenle Li-iyona alternatif yeni nesil batarya sistemleri üzerine çalışmalar son zamanlarda hız kazanmıştır. En uygun alternatif olarak ise periyodik cetvelde lityumun hemen altında yer alan sodyum elementinin kullanıldığı batarya sistemlerine yönelinmiştir. Benzer kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip olan Na, yer kabuğunda da bol miktarda bulunmaktadır. Düşük maliyetli Na, Li-iyon bataryalar için en ideal alternatif olarak kabul edilmektedir. Sodyum-iyon bataryalar, büyük ölçekli uygulamalar için oldukça uygun enerji depolama sistemleridir. Sodyum-iyon bataryalar için en büyük problemlerden bir tanesi uygun elektrot malzemesinin geliştirilmesidir. Anot elektrot olarak Li-iyon bataryalarda ticari olarak kullanılan grafit, Na-iyon bataryalarda istenilen kapasiteye ulaşamamıştır. Bu nedenle farklı karbon malzemeleri çalışılmış ve en yüksek kapasite (~300 mAh/g) düzensiz yapılı karbon ile elde edilmiştir. Fakat yüksek enerji yoğunluğuna sahip anot malzemelerinin geliştirilmesi üzerine çalışmalar devam etmektedir. Bu tez çalışmasında, yüksek teorik kapasiteli (847 mAh/g), ucuz ve çevreci kalay-esaslı anot malzemeleri geliştirilmeye çalışılmıştır. Kalay temelli malzemelerde meydana gelen hacim genişlemesini engellemek için yeni kompozit yapıları oluşturulmuş ve sodyum-iyon batarya performansları test edilmiştir. Elektrolit, elektrolit ilavesi ve bağlayıcının batarya performanslarına etkisi de bu tez çalışmasında ayrıca analiz edilmiştir.

Li-ion batteries with high energy density and long cycle life are very attractive for energy storage systems in portable devices. Due to the increased demand and decreasing Li sources, Li-ion batteries cannot be considered for large-scale energy storage systems. For this reason, studies on new generation battery systems, that are alternative to Li-ion, have gained momentum recently. Na is the most suitable alternative element being located just below Li in the periodic table, thus, similar chemical and physical properties are expected. Moreover, Na, is abundant in nature which makes it an ideal alternative for large-scale applications at low cost. One of the biggest problems for sodium-ion batteries is the development of suitable electrode material. Graphite, which is used commercially as an anode electrode in Li-ion, is not suitable for Na-ion batteries. Thus, different carbon materials were studied and the highest capacity (~ 300 mAh / g) was obtained with irregular carbon (hard carbon). However, work continues on the development of anode materials with high energy density. In this thesis, the develop of high theoretical capacity (847 mAh/g), cheap and environmentally friendly Sn-based anode materials have been studied. New composite structures were built to prevent volume expansion for the tin-based materials. The effect electrolyte, electrolyte additives and the binders have been testted and the performances were analyzed sodium ion battery performances.