Cold sintering of oxide-based llto and llzo solid-stateelectrolytes and their integration into lithium metalbatteries
Oksit esaslı llto ve llzo katı hal elektrolitlerinin soğuk sinterlenmesi ve lityum metal pillere entegrasyonu
- Tez No: 972119
- Danışmanlar: PROF. DR. NURİ ERSOY, DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜLİN VARDAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Elektrokimyasal piller, Electrochemical cells
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boğaziçi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Perovskit tipi Li₃ₓLa₂⁄₃₋ₓTiO₃ (LLTO) ve garnet tipi Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO) gibi oksit esaslı katı elektrolitler, yüksek iyonik iletkenlikleri ve kararlılıkları sayesinde yeni nesil katı hâl lityum pilleri için umut verici adaylardır. Ancak bu malzemelerin pratik kullanımı, yüksek sıcaklıkta sinterleme gereksinimi ve elektrot-elektrolit entegrasyonundaki zorluklar nedeniyle sınırlanmaktadır. Bu tez kapsamında, LLTO ve LLZO kompozitleri için düşük sıcaklıkta bir üretim yöntemi olarak soğuk sinterleme süreci araştırılmış; geçici çözücüler ve orta seviyede basınç kullanılarak, 150 °C'nin altında ve 30 dakika içinde yoğunlaştırma sağlanmıştır. Sinterleme parametreleri, çözücü türü, partikül boyutu ve bağlayıcı-tuz içeriği optimize edilerek 10⁻⁴ S/cm'den büyük iyonik iletkenlikler elde edilmiştir. LLTO'nun LiFePO₄ (LFP) ve LLZO'nun LiCoO₂ (LCO) katotlarıyla yaklaşık 100 °C'de birlikte sinterlenmesi, yapısal veya kimyasal bir bozulmaya uğramadan başarıyla gerçekleştirilmiştir. LLTO ile lityum metal arasındaki kararsızlığı önlemek amacıyla, az miktarda LiPF₆ bazlı elektrolitle ıslatılmış bir PVDF membran kullanılmış; böylece Ti⁴⁺ iyonunun indirgenmesi etkili bir şekilde bastırılmış ve arayüz direnci kararlı hâle getirilmiştir. Üretilen Li/PVDF/LLTO/LFP tam hücreleri, sırasıyla 0.1 C ve 0.2 C akım hızlarında 151 mAh/g ve 135 mAh/g boşalma kapasiteleri sunmuştur. Benzer şekilde, Li/PPC-LiFSI/LLZO/LCO hücreleri de 0.1 C ve 0.2 C akım hızlarında sırasıyla 158 mAh/g ve 141 mAh/g boşalma kapasiteleri sergilemişlerdir. Ayrıca, LLTO kompozitlerinin geri dönüştürülebilirliği de doğrulanmıştır. On döngü sonrasında bile LLTO, yüksek kristal yapısını ve faz saflığını korumuş; yaklaşık 2 × 10⁻⁴ S/cm seviyesinde yüksek iyonik iletkenlik göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Oxide-based solid electrolytes such as perovskite-type Li₃ₓLa₂⁄₃₋ₓTiO₃ (LLTO) and garnet-type Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO) are promising candidates for next-generation solid-state lithium batteries due to their high ionic conductivities and stability. However, the practical application of these materials is limited by the requirement for high-temperature sintering and challenges in electrode–electrolyte integration. In this thesis, the cold sintering process was investigated as a low-temperature fabrication method for LLTO and LLZO composites; densification was achieved below 150 °C within 30 minutes by using transient solvents and moderate pressure. By optimizing sintering parameters such as solvent type, particle size, and binder–salt content, ionic conductivities greater than 10⁻⁴ S/cm were attained. Co-sintering of LLTO with LiFePO₄ (LFP) and LLZO with LiCoO₂ (LCO) cathodes at approximately 100 °C was successfully demonstrated without any structural or chemical degradation. To prevent instability between LLTO and lithium metal, a PVDF membrane wetted with a small amount of LiPF₆-based electrolyte was employed, effectively suppressing Ti⁴⁺ reduction and stabilizing the interfacial resistance. The fabricated Li/PVDF/LLTO/LFP full cells exhibited discharge capacities of 151 mAh/g and 135 mAh/g at current rates of 0.1 C and 0.2 C, respectively. Similarly, Li/PPC-LiFSI/LLZO/LCO cells demonstrated discharge capacities of 158 mAh/g and 141 mAh/g at 0.1 C and 0.2 C, respectively. Furthermore, the recyclability of LLTO composites through multiple reprocessing cycles was confirmed. Even after ten cycles, LLTO maintained its high crystallinity and phase purity, exhibiting a high ionic conductivity of approximately 2 × 10⁻⁴ S/cm.
Benzer Tezler
- Sintering, co-sintering and microstructure control of oxide based materials: Zirconia, alumina, spinel, alumina - zirconia and spinel ? alumina
Zirkonya, alümina, spinel, alümina ? zirkonya ve spinel ? alümina oksit esaslı malzemelerin sinterleme, birlikte-sinterleme ve mikroyapı kontrolü
EMRE YALAMAÇ
Doktora
İngilizce
2010
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CLAUDE CARRY
PROF. DR. SEDAT AKKURT
- Cold sintering of sm doped ceria - sodium carbonate nanocomposite electrolytes for sofc applications
Koyh uygulamaları için sm katkılı seryum – sodyum karbonat nanokompozit elektrolitlerin soğuk sinterlenmesi
MURAT MURUTOĞLU
Doktora
İngilizce
2025
Bilim ve TeknolojiGebze Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN YILMAZ
- Oksit yapılı nanokompozit seramiklerin sentezi ve dielektrik karakterizasyonu
Synthesis and dielectric characterization of oxide-based nanocomposite ceramics
ALPER KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Fizik ve Fizik MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA KOYUNCU
- MgO-kısmen stabilize zirkonya dental altyapı seramiklerin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of MgO partially stabilized zirconia dental ceramics
EMİNE GAMZE YAZICI
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Seramik MühendisliğiAfyon Kocatepe ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CEMİLE BETÜL EMRULLAHOĞLU ABİ
- Pack aluminizing of inconel 718 superalloy produced by cold spray additive manufacturing
Soğuk sprey eklemeli imalat yöntemi ile üretilen inconel 718 süperalaşımının kutu alüminyumlama işlemi
SERRA BAYRAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN