Development and characterization of new layered cathode materials for lithium ion batteries
Lityum iyon bataryalar için yeni tabakalı katot malzemelerinin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
- Tez No: 506369
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET KADRİ AYDINOL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Metalurji Mühendisliği, Energy, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 148
Özet
Bu çalışmada, Li (NixMnyCo1-x-y)O2 (NMC) içerisindeki Ni:Mn:Co mol oranı ve Mo, W, Ag ve Cu katkı elementlerinin bu kompozisyonlardaki etkileri, Li-iyon piller için sistematik olarak incelenmiştir. Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 (NMC-111), Li(Ni0.2Mn0.2Co0.6)O2 (NMC-226), Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2 (NMC-622) ve Li(Ni0.2Mn0.6Co0.2)O2 (NMC-262) ve bu malzemelerin katkılı kompozisyonları sprey piroliz ile sentezlenmiştir. Sprey piroliz yöntemi, küresel yapıda ince tane boyutu dağılımına sahip tozlar elde etmek için kullanılmıştır. Bu prosesi takiben, tabakalı yapı ve düzgün hekzagonal yapının bir göstergesi olan net bir şekilde ayrılmış (006)/(102) ve (108)/(110) kırınım piklerinin elde edilmesi için ısıl işlem uygulanmıştır. Sentezlenen tozların yapısal özelliklerini incelemek için SEM ve TEM çalışmaları yapılmıştır. Yapıdaki mevcut fazları ortaya belirlemek için XRD analizleri yapılmış, yüzey kimyası için XPS analizleri yapılmıştır. Ayrıca, tozlar içindeki elementlerin içeriğini ölçmek için ICP-MS kullanılmıştır. NMC katotlarının elektrokimyasal performansını incelemek için galvanostatik testler ve EIS ölçümleri yapılmıştır. Katkısız NMC katotlarından, NMC-111 diğer katkısız katot malzemelerine oranla, yapıda daha az katyon karışımı göstermiştir ve bu durumla birlikte en yüksek deşarj kapasitesine sahiptir. Katkılı kompozisyonlardan, tüm Ni:Mn:Co mol oranlarındaki Mo-katkılı katotlar, daha geniş Li aralığı ile birlikte nispeten düşük katyon karışımına sahiptir. Bu bulgu, aynı zamanda W dışındaki diğer katkı elementlerinden bağımsız olarak tüm 622 kompozisyonları için de geçerlidir. Düşük katyon karışımı ve daha geniş Li aralığını sergileyen katotlar, 2.7-4.2V potansiyel aralığında 140 mAhg-1 e kadar deşarj kapasitesi gösterirken, kapasitesini çevrim sonunda ~% 80' e kadar koruduğu gözlemlenmiştir. Elektrokimyasal performansı etkileyen bir diğer unsurun toz morfolojisi olduğu da gözlemlenmiştir. Toz yapısının incelemek üzere yapılan araştırmalar sonucunda, iki tip parça oluşumu gözlemlenmiştir. Bunlardan biri, daha büyük parçacıklara sahip olan daha boşluklu küresel kümeleşmiş parçalardır. İkincisi ise, daha küçük parça boyutuna sahip oranla daha sıkı yapıya sahip olan küresel parçalardır. Daha boşluklu ve nispeten iri parçalara sahip olan katotlarda, 622-Mo örneğinde olduğu gibi, daha düşük direnç ve yüksek deşarj kapasitesi gözlemlenmiştir. Bu yapının, elektrokimyasal reaksiyonlara katılmak için daha yüksek etkili yüzey alanı sağladığı düşünülmektedir. Gözlemlenen yüksek yüzey alanının, Li-iyonlarının interkalasyon/deinterkalasyonunun daha kısa bir difüzyon zamanında gerçekleşmesine izin vermiştir. Mevcut bulgular, katkı elementlerinin ve Ni:Mn:Co içeriğinin, NMC katotlarının elektrokimyasal performansa ve yapı kararlılığına nasıl etki ettiğini ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
In the present study, the effects of Ni:Mn:Co mole ratio and doping elements, i.e. Mo, W, Ag and Cu, in Li(NixMnyCo1−x−y-zMz)O2 (NMC) were systematically investigated as cathode materials for Li-ion batteries. Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 (NMC-111), Li(Ni0.2Mn0.2Co0.6)O2 (NMC-226), Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2 (NMC-622), Li(Ni0.2Mn0.6Co0.2)O2 (NMC-262) and their doped compositions were synthesized via spray pyrolysis. Spray pyrolysis method was used to attain a spherical fine-sized morphology in the powders synthesized. This procedure was followed by a heat-treatment to provide well-defined splitting of (006)/(102) and (108)/(110) diffraction peaks in XRD spectra as an indicator for layered structure and good hexagonal ordering. SEM and TEM studies were carried out to investigate the structural properties of the powders synthesized. XRD analyses were performed to reveal the present phases in the structure, while XPS analyses were carried out to identify surface chemistry. Moreover, ICP-MS was employed so as to quantify the contents of elements in the powders. Galvanostatic tests and EIS were carried out to examine the electrochemical performance of NMC cathode materials. Of the undoped NMC cathode materials, NMC-111 performed relatively lower cation mixing in the structure leading highest discharge capacity. In the doped compositions, Mo-doped cathode materials in all Ni:Mn:Co mole ratio exhibited relatively lower cation mixing together with the wider Li-gap. This was also valid for all 622 compositions independent from the doping elements, except W. The cathode materials which had a low cation mixing, while having a wide Li-gap were performed better discharge capacity and capacity retention up to 140 mAhg-1 and ~80%, respectively in the 2.7-4.2 V potential window. The morphology of the powder might be considered as another factor affecting the electrochemical performance. In the structural investigations, two type of particle formation was observed; one was spherical aggregates having large and loose primary particles and the second was spherical aggregates having small and relatively denser particles. The morphology of loose aggregates with relatively larger particles was determined in the cathode materials, e.g. 622-Mo, that were performed higher discharge capacity with a lower internal resistance. This structure provided a higher effective surface area to participate in the electrochemical reactions. This high surface area allowed the intercalation/deintercalation of Li-ions took place at a shorter diffusion time. Present findings revealed the how the doping elements and the Ni:Mn:Co content affect the electrochemical performance and the structure stability of the NMC cathode materials.
Benzer Tezler
- Enerji depolama için grafen tabanlı üç boyutlu elektrot malzeme uygulamaları
Graphene-based three-dimensional electrode material applications for energy storage
DENİZ KURUAHMET
Doktora
Türkçe
2023
EnerjiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET OĞUZ GÜLER
- Sol-jel yöntemi ile üretilen LiMn2-xMxO4 (M = Li, Co) tozundan laminasyon yöntemi ile lityum iyon piller için katot üretilmesi ve karakterizasyonu
LiMn2-xMxO4 (M = Li, Co) cathode production via sol-gel method and characterization for li-ion batteries
BAKİ ANIL ÖZKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜL KELEŞ
- İkincil lityum iyon piller için çift aktif malzemeli katotların geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and chracterization of dual active material cathodes for secondary lithium ion batteries
EZGİ YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
EnerjiHitit Üniversitesiİleri Malzemeler ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖNCÜ AKYILDIZ
- Development of 3D food printer and use of mushrooms in 3D food printer within the scope of new plant-based food production
3D gıda yazıcısı geliştirme ve mantarların bitkisel bazlı yeni ürün geliştirme çalışmaları kapsamında 3D yazıcıda kullanımı
EVREN DEMİRCAN
Doktora
İngilizce
2023
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK
- Nanolif yara örtücü yüzeylerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of nanofiber wound dressings
ZARİFE DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ DEMİR