Development of silicon/carbon nanocomposite anodes from simple precursors for lithium-ion batteries
Lityum-iyon piller için öncül malzemelerden silisyum/karbon nanokompozit anotların geliştirilmesi
- Tez No: 712472
- Danışmanlar: PROF. DR. CLEVA OWYANG GÜLGÜN, DR. ÖĞR. ÜYESİ SERAP HAYAT SOYTAŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Chemical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 168
Özet
Silisyum, düşük lityasyon potansiyeli, yüksek gravimetrik ve hacimsel kapasitesi ve doğadaki bolluğu nedeniyle lityum iyon pillerdeki anot için ilgi çekici bir malzemedir. Bununla birlikte, silisyum esaslı malzemelerin anot olarak kullanımı, lityum-iyon pillerin performansında, hızlı kapasite kaybına yol açabilecek zorluklar getirir. Bu zorluklar, (1) lityum ile tersinir alaşım oluşturma sırasında önemli hacim genleşme ve daralma nedeniyle silisyumun parçalanarak yapısının bozulması, (2) silisyum ve elektrolit arasında oluşan ara fazın kararsızlığı ve (3) silisyumun düşük elektriksel iletkenliği olarak sıralanabilir. Silisyum parçacık boyutunu nano ölçeğe indirmenin hacimsel genleşmenin etkisini azaltarak parçacık kararlılığını korumaya yardımcı olduğu kanıtlanmıştır. Bununla birlikte, diğer sorunlar ancak silisyum nanoyapılar ile karbon nanokompozitler yapılarak giderilebilir. Nano ölçekli silisyumun, karbon matrisi içinde iyi dağılmış nanokompozitlerinin uygun maliyetli ve ölçeklenebilir bir yöntem kullanılarak üretimi halen zorlu bir iştir. Bu tezde, araştırmamızı basit öncülerden nano ölçekli silisyum malzemeler üretmeye odakladık. İlk olarak, bir silisyum dioksit mineralinden tuz-aracılı magnezyotermik indirgeme yoluyla silisyum nanoparçacıkların sentezi araştırılmıştır. Daha sonra, çeşitli silisyum öncüleri ile karbon kaynağı olarak poliakrilonitril karıştırılarak hazırlanan hibrit bir çözeltinin elektroeğirme ile nanokompozit fiberlerin üretimi incelenmiştir. Son olarak, silisyum-karbon hibrit nanoliflerin düşük sıcaklıkta alüminotermik indirgenmesi araştırılarak geliştirilen silisyum nanoyapıların ve silisyum-karbon nanokompozit fiberlerin elektrokimyasal performansları doğrulanmıştır. Sonuç olarak, silisyumun tuz-aracılı magnezyotermik indirgenme kullanılarak birbirine paralel üç farklı reaksiyon yoluyla silisyum nanoparçacıklar üretilebildiği, ve karbon ve silisyum öncüllerinden başlanıldığında karbon içine gömülü silisyum nanokristallerin homojen olarak dağılmış olduğu karbon-silisyum nanokompozitlerinin elde edilebildiği gösterildi.
Özet (Çeviri)
Silicon is an attractive material for the anode in lithium-ion batteries due to its low delithiation potential (0.4 V), high gravimetric and volumetric capacity, and abundance in nature. However, the use of silicon-based anode imposes challenges in the performance of lithium-ion batteries that can lead to their poor capacity retention. These challenges include (1) pulverization of silicon under significant volume expansion and contraction during alloying and dealloying with lithium, (2) instability of the interphase formed between silicon and electrolyte, and (3) low electrical conductivity of silicon. Reducing the size of silicon particles to the nanoscale has been proven to prevent particle pulverization. However, the other issues can be addressed by making composites of silicon nanoparticles and carbon. Nevertheless, it is still challenging to produce nanoscale silicon and its well-dispersed nanocomposites in carbon using a cost-effective and scalable method. In this dissertation, we focus our research on fabricating nanoscale silicon materials from simple precursors. First, the synthesis of silicon nanoparticles from a silicon dioxide mineral through salt-mediated magnesiothermic reduction was investigated. Then, electrospinning of a hybrid solution prepared by mixing various silicon precursors and polyacrylonitrile as a carbon source was explored. Finally, low-temperature aluminothermic reduction of silicon dioxide-carbon nanocomposite fibers was investigated. The electrochemical performance of the developed silicon nanostructures and silicon-carbon nanocomposite fibers was validated.
Benzer Tezler
- Lityum iyon piller için üç boyutlu grafen/karbon nanotüp/silisyum nanokompozit anotların geliştirilmesi
Development of three-dimensional graphene/carbon nanotube/silicon nanocomposite anodes for lithium-ion batteries
SELİN DEMİRCİ
Doktora
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN YAVUZ
- Çok bileşenli hibrit nanomimarili silisyum/grafen/karbon nanofiber negatif elektrotların geliştirilmesi
Development of multi-component hybrid nanoarchitectured silicon/graphene/carbon nanofiber negative electrodes
MAHMUD TOKUR
Doktora
Türkçe
2019
EnerjiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HATEM AKBULUT
- Yumurta-kabuk morfolojili hibrit Si/grafen/KNT nanokompozit lityum iyon pil anotlarının geliştirilmesi
Development of hybrid Si/graphene/CNT nanocomposite lithium ion battery anodes with yolk-shell morphology
UBEYD TOÇOĞLU
Doktora
Türkçe
2020
Bilim ve TeknolojiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HATEM AKBULUT
- Development and synthesis of silicon-based nanomaterials for lithium-ion battery anodes
Silisyum bazlı nanomalzemelerin lityum-iyon pil anotları için geliştirilmesi ve sentezi
MEHMET NEVZAT DUMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
EnerjiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET KADRİ AYDINOL
- PVD yöntemi ile silisyum matrisli karbon nanotüp takviyeli nano kompozit elektrotların geliştirilmesi
Development of silicon matrix carbon nanotube reinforced nano composite electrodes via PVD method
UBEYD TOÇOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HATEM AKBULUT