LiCu0.5Mn1.5O4 and LiNi0.25Cu0.25Mn1.5O4 spinel electrodes for lithium-ion batteries
Lityum-iyon pilleri için LiCu0.5Mn1.5O4 and LiNi0.25Cu0.25Mn1.5O4 spinel elektrotları
- Tez No: 442615
- Danışmanlar: PROF. DR. ZEYNEP SEMA BAYKARA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Kimya Mühendisliği, Energy, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Katot malzemeler, Lityum iyon pilleri, yüksek voltaj elektrot, LiCu0.5Mn1.5O4 spinel elektrot, LiNi0.25Cu0.25Mn1.5O4 spinel elektrot, Cathode metarials, Lithium - ion batteries, high voltage electrode, LiCu0.5Mn1.5O4 spinel electrode, LiNi0.25Cu0.25Mn1.5O4 spinel electrode
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 84
Özet
Bu çalışmada, Lityum - iyon pilleri için yüksek voltaj spinel LiCu0.5Mn1.5O4 (LCuMO) ve LiNi0.25Cu0.25Mn1.5O4 (LNCuMO) katot malzemelerinin geliştirilmesi ve iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Bu katot malzemeler sitrik asit destekli Pechini sol - jel metodu ile sentezlenmiştir. Malzemelerin sentezi için üç farklı kalsinasyon sıcaklığı (600 °C, 750 °C ve 900 °C) ve atmosferi (hava, O2 ve Ar) seçilmiştir. Tavlama süresinin 600 °C´de hazırlanmış LCuMO katot malzemesi üzerindeki tavlama etkisi incelenmiştir. Elde edilen malzemelerin yapıları ve morfolojileri X-ışını ve sinkrotron toz parçacık kırınımı teknikleri, X-ışını absorplama spektroskopisi (XAS), Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) yanısıra taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak incelenmiştir. Ayrıca, elektrokimyasal performans ve bu performansın altında yatan elektrokimyasal mekanizma da incelenmiştir. LCuMO ve LNCuMO malzemeleri, Cu atomlarının bir kısmının, normalde Li tarafından işgal edildiği 8a tetrahedral pozisyonunda da var olabildiği, uzay grubu“Fd”“3”̅“m”ile kübik spinel yapıya sahiptirler. Sentez koşullarına bağlı olarak, örnekler farklı oranlarda CuO ve Li2MnO3 kirliliği içermektedir. 7Li MAS NMR, Cu iyonlarının spinel kafes içerisinde olduğunu doğrulamıştır. XRD ile normalde Li tarafından işgal edilen 8a tetrahedral pozisyonunun Cu atomları tarafından da kısmen doldurulduğu tespit edilmiştir. XANES sonuçları, hava ortamında tavlanmış LCuMO örneklerindeki Cu ve Mn´in büyük çoğunlukla Cu2+ ve Mn4+ olarak var olduğunu ispatlamıştır. Elektrokimyasal karakterizasyon, farklı voltaj serilerinde lityumun karşıt ve referans elektrot olarak kullanıldığı yarım - hücre pilleri ile yürütülmüştür. Çevrim voltametresi ile farklı yükseltgenme-indirgenme pikleri tespit edilmiş ve bunlar Mn3+ / Mn4+ (4 V bölgesi), Ni2+ / Ni4+ ve/veya Cu2+ / Cu3+ redoks çiftleri ne dayandırılmıştır. Galvonastatik çevrim ile, güçlü kapasite kaybı tespit edilmiştir. Hava ortamında tavlanmış LCuMO örnekleri diğer örneklere göre, C / 3.5´da 100 çevrimden sonra daha iyi kapasite retansiyonuna (% 60.3) sahiptir. Bununla birlikte, coulomb verimi sıcaklığın artmasıyla birlikte artmaktadır. In situ sinkrotron kırınımı, 5 V bölgesinde lityum ekstraksiyonunun katı çözelti mekanizması ile devam ettiğini ortaya koymuştur. Hava ortamında 600 °C´de 4 saat tavlanmış LCuMO örneği için, 3 V civarındaki LiCu0.5Mn1.5O4 içerisine ikinci lityum eklenmesi iki faz reaksiyonu (kübik fazdan tetragonal faza) ile ilişkilendirilmiştir.
Özet (Çeviri)
In this study, developing and improving appropriate high voltage spinel LiCu0.5Mn1.5O4 (LCuMO) and LiNi0.25Cu0.25Mn1.5O4 (LNCuMO) cathode materials for Lithium - ion batteries were aimed. These cathode materials were synthesized using a citric acid assisted Pechini sol - gel method. Three different calcination temperatures (600 ᴼC, 750 ᴼC and 900 ᴼC) and atmospheres (air, O2 and Ar) were used to synthesize the materials. The impact of the annealing time on the LCuMO cathode material prepared at 600 ᴼC was studied. The structure and morphology of the obtained materials were investigated using X - ray and synchrotron powder diffraction techniques, X- ray Absorption Spectroscopy (XAS), Nuclear Magnetic Resonance (NMR) as well as Scanning Electron Microscopy (SEM). Moreover, electrochemical performance as well as underlying electrochemical mechanism were investigated. LCuMO and LNCuMO materials have cubic spinel structure with the space group“Fd”“3”̅“m”where part of Cu atoms exist on the 8a tetrahedral sites normally occupied by Li. Depending on synthesis conditions, the samples contain different ratios of CuO and Li2MnO3 as impurities. 7Li MAS NMR confirmed the presence of Cu ions in the spinel lattice. The X – ray diffraction revealed that Cu atoms patially fill the 8a tetrahedral sites normally occupied by Li. The results of XANES for the annealed LCuMO in air samples revealed that Cu and Mn in the samples predominantly exist as Cu2+ and Mn4+. Electrochemical characterization was performed in different voltage ranges in the half-cells containing lithium as both counter and reference electrodes. The cyclic voltammetry revealed different oxidation-reduction peaks, which were attributed to the Mn3+ / Mn4+ (4V region) or the Cu2+ / Cu3+ or the Ni2+ / Ni4+ redox couples. Upon galvanostatic cycling, strong capacity fading was observed. The annealed LCuMO in air samples have better capacity retention after 100 cycles at C / 3.5 (60.3 %) than all the other samples. Moreover, the coulombic efficiency increases with the increasing annealing temperature. In situ synchrotron diffraction revealed that lithium extraction in the 5 V region proceeds via solid solution mechanism. The insertion of the second Li into LiCu0.5Mn1.5O4 at around 3 V region is associated with two phase reaction for the LCuMO samle annealed at 600 ᴼC for 4 h in air (from the cubic phase to tetragonal phase).
Benzer Tezler
- Sovyetler Birliği döneminden günümüze Kazakistan eğitim sistemi
The education system of Kazakhstan from the Soviet Union period to the present
AİGUL BOLATOVA
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Eğitim ve ÖğretimNecmettin Erbakan ÜniversitesiEğitim Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSA KORKMAZ
- Bor katkılı Li-iyon pil üretimi ve elektriksel performanslarının araştırılması
Boron doped Li-ion battery production and investigation of electrical performance
ERDİNÇ ÖZ
- Lityum hava pilleri için karbon temelli gözenekli katot malzemesi geliştirilmesi
Improved a carbon based porous cathode material for lithium air batteries
MURAT FARSAK
- Lityum-iyon pillerde nano yapılı LiFePO4/C ve LiMxFe1-xPO4/C katot materyallerin sentezi
Synthesis of nano structured LiFePO4/C and LiMxFe1-xPO4/C cathode materials for lithium-ion batteries
AHMET ÖRNEK
- Lityum iyon pillerinin katot malzemesi olan LixMy(PO4)z ve LixMyO4 tipindeki bileşiklerin bazı metaller kullanılarak sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of LixMy(PO4)z and LixMyO4 type compounds which are cathode materials for lithium ion batteries
BURÇİN ORHAN SAVRAN