Design and fabrication of conductive polymer/ doped graphene oxide/silica composite anodes for lithium-ion batteries
Lityum-iyon piller için iletken polimer/katkılanmış grafen oksit/silika kompozit anotların tasarımı ve üretimi
- Tez No: 1012887
- Danışmanlar: PROF. DR. METİN GENÇTEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Metalurji Mühendisliği, Energy, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Lityum-iyon piller (LIB'ler), yüksek enerji yoğunluğu, uzun çevrim ömrü ve çevre dostu özellikleri sayesinde taşınabilir elektronik cihazlar ve elektrikli araçlar için en umut verici enerji depolama sistemleri arasında yer almaktadır. Ancak ticari grafit anotların sınırlı teorik kapasitesi (372 mAh g⁻¹), pil performansının daha fazla geliştirilmesini kısıtlamaktadır. Bu çalışmada, elektro-kimyasal performansı artırmak amacıyla heteroatom katkılı grafen oksit (N-, S- ve Cl katkılı GO), iletken polimerler (polipirol (PPy) ve polianilin (PANI)) ve füme silika esaslı yeni nesil kompozit anot malzemeleri sentezlenmiş ve sistematik olarak incelenmiştir. Heteroatom katkılı grafen oksit tozları, asidik ortamda kronoamperometri kullanılarak tek adımlı elektrokimyasal yöntem ile üretilmiştir. İletken polimerler kimyasal oksidatif polimerizasyon yöntemi ile sentezlenmiş ve maksimum elektriksel iletkenlik ile yüzey alanı elde etmek amacıyla monomer ve asit konsantrasyonları optimize edilmiştir. Hazırlanan malzemeler XRD, SEM-EDX, FT-IR, Raman spektroskopisi, BET yüzey alanı analizi, TGA, elementel analiz ve dört nokta prob iletkenlik ölçümleri ile karakterize edilmiştir. Kompozit anotlar, farklı oranlarda katkılı grafen oksit, iletken polimer ve silikanın birleştirilmesiyle hazırlanmış ve karşı elektrot olarak lityum metal kullanılarak CR2032 tipi düğme piller hâlinde monte edilmiştir. Elektrokimyasal performanslar 0.02–3 V aralığında döngüsel voltametri, farklı C oranlarında (0.1C–10C) galvanostatik şarj–deşarj testleri ve 10C'de 100 çevrimlik uzun dönem çevrim testleri ile değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, iletken polimer ilavesinin elektriksel iletkenliği ve yapısal kararlılığı önemli ölçüde artırdığını; heteroatom katkısının ise aktif merkez sayısını ve lityum-iyon difüzyon kinetiğini geliştirdiğini göstermiştir. Silika, çevrim sırasında oluşan hacim değişimlerini azaltan tampon bir matris görevi görmüştür. Tüm kompozisyonlar arasında, optimize edilmiş N-katkılı grafen/PPy ve N-katkılı grafen/PANI kompozitleri, katkısız ve tek bileşenli sistemlere kıyasla daha yüksek özgül kapasite, gelişmiş hız performansı ve üstün çevrim kararlılığı sergilemiştir. Bu çalışma, yüksek performanslı kompozit anotların tasarımı için ölçeklenebilir ve maliyet etkin bir strateji sunmakta ve artırılmış kapasite ile dayanıklılığa sahip yeni nesil lityum-iyon pillerin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Lithium-ion batteries (LIBs) are among the most promising energy storage systems for portable electronics and electric vehicles due to their high energy density, long cycle life, and environmental compatibility. However, the limited theoretical capacity of commercial graphite anodes (372 mAh g⁻¹) restricts further improvements in battery performance. In this study, new-generation composite anode materials based on heteroatom-doped graphene oxide (N-, S-, and Cl-doped GO), conductive polymers (polypyrrole (PPy) and polyaniline (PANI)), and fumed silica were synthesized and systematically investigated to enhance electrochemical performance. Heteroatom-doped graphene oxide powders were produced via a one-step electrochemical method under acidic media using chronoamperometry. Conductive polymers were synthesized through chemical oxidative polymerization, and their synthesis parameters were optimized in terms of monomer and acid concentration to achieve maximum electrical conductivity and surface area. The prepared materials were characterized by XRD, SEM-EDX, FT-IR, Raman spectroscopy, BET surface area analysis, TGA, and four-point probe conductivity measurements. Composite anodes were fabricated by combining doped graphene oxide, conductive polymers, and silica in various compositions and assembled into CR2032-type coin cells using lithium metal as the counter electrode. Electrochemical performances were evaluated by cyclic voltammetry (0.02–3 V), galvanostatic charge–discharge tests at different C-rates (0.1C–10C), and long-term cycling (100 cycles at 10C). The results demonstrated that the incorporation of conductive polymers significantly improved electrical conductivity and structural stability, while heteroatom doping enhanced active sites and lithium-ion diffusion kinetics. conductive polymers acted as a buffering matrix, mitigating volume changes of silica during cycling. Among all compositions, low ratio of N-doped graphene/PPy give good cycling performance at high rate but low capacity at low rate and high ratio N-doped graphene/PANI composites exhibited superior specific capacity, improved rate capability, and enhanced cycling stability compared to undoped and single-component systems. This study provides a scalable and cost-effective strategy for designing high-performance composite anodes and contributes to the development of next-generation lithium-ion batteries with improved capacity and durability.
Benzer Tezler
- Çinko nanotanecik içeren polimer nanokompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of polymer nanocomposite materials incorporated zno nanoparticles
ALEV AKBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE KÜÇÜKBAYRAK OSKAY
- Design and fabrication of a graphite enhanced PVA/GNP composite piezoresistive ink
Grafı̇t tabanlı PVA/GNP kompozı̇t pı̇yezodirenç geliştirilmesi ve üretilmesi
MELİKE NUR ÖNDER
Doktora
İngilizce
2023
Metalurji MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ALİ GÜLGÜN
PROF. DR. MELİH PAPİLA
- Design and fabrication of pressure sensors from thermoplastic elastomer based nanocomposites
Termoplastik elastomer esaslı nanokompozitlerden basınç sensörlerinin tasarım ve üretimi
AYŞE TURGUT
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Polimer Bilim ve TeknolojisiYalova ÜniversitesiPolimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HATİCE AYLİN KARAHAN TOPRAKÇI
- Elektromanyetik koruyucu etkinliğinin geliştirilmesi için hibrit kompozit malzemelerin tasarımı ve üretimi
Design and fabrication of hybrid composite materials for enhanced electromagnetic interference shielding effectiveness
OSMAN FATİH DAMNALI
Doktora
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiNecmettin Erbakan ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ARIKAN
DOÇ. DR. VOLKAN ESKİZEYBEK
- Fabrıcatıon of 3D prınted flexıble polyurethane nanocomposıte
3b baskili esnek poliüretan nanokompozit imalati
ALİCAN MERT
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİRGÜL BENLİ