Piezoelektrik Malzemelerin Lityum İyon Batarya Anotlarında Katkı Olarak Kullanılması

M. Taha Demirkan; Mehbare Doğrusöz

doi:10.17780/ksujes.672828

Piezoelektrik Malzemelerin Lityum İyon Batarya Anotlarında Katkı Olarak Kullanılması

Öz

Özet Lityum iyon bataryalarında son günlerdeki en popüler malzeme olarak gösterilen silisyum (Si) içerikli malzemelerle ilgili önemli sorunlar, bunların ticari olarak yaygınlaşmasını engellemektedir. Si anot malzemelerinin şarj/deşarj esnasında yüksek hacim değişikliğine uğraması ve mekanik olarak dayanıksızlığı bu sorunların başında gelmektedir. Bu çalışmada PZT tabanlı piezoelektrik malzemelerin kullanılmasıyla bu sorunların çözümündeki katkısı üzerinde durulmuştur. Si ve karbon (C) karışımı anot malzemelerinde katkı olarak PZT parçacıkları kullanıldığında bu malzemelerin kapasite performansında artış olduğu görülmüştür. Bu artışın nedenleri tartışılmakla birlikte farklı türlerde PZT malzemeleri ile farklı oranlarda Si-C karışımları üzerine test yapılmış ve aralarındaki performans farkları incelenmiştir. PZT kullanımı olmadığı durumlarda ilk 50 çevrimde 50 mAh/g’in altında spesifik kapasite değerleri vererek bozulmaya uğrayan anot malzemelerinin, PZT katkısı kullanılmasıyla 100. çevrimde dahi 400 mAh/g üzerinde değerleri verdiği gözlemlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

Silisyum Anot,Lityum İyon Batarya,Piezoelektrik

Destekleyen Kurum

TÜBİTAK

Proje Numarası

118M340

Teşekkür

Yazar bu çalışmadaki desteklerinden ve yardımlarından dolayı Doç. Dr. Rezan Demir-Çakan’a ve Prof. Dr. Hüseyin Yılmaz’a teşekkürlerini sunar

Kaynakça

Aurbach, D., Markovsky, B., Salitra, G., Markevich, E., Talyossef, Y., Koltypin, M., Kovacheva, D. (2007). Review on electrode–electrolyte solution interactions, related to cathode materials for Li-ion batteries. Journal of Power Sources, 165(2), 491-499. doi:10.1016/j.jpowsour.2006.10.025
B.A. Boukamp, G. C. L., R.A. Huggins. (1981). All-Solid Lithium Electrodes With Mixed-Conductor Matrix. Journal of Electrochemical Society, 128(4), 4. Barnett, B., Ofer, D., Yang, Y., Oh, B., Rempel, J., McCoy, C., Sririramulu, S. (2010). "PHEV Battery Cost Assessment". Retrieved from Bourderau, S., Brousse, T., & Schleich, D. M. (1999). Amorphous silicon as a possible anode material for Li-ion batteries. Journal of Power Sources, 81, 233-236.
Cabana, J., Monconduit, L., Larcher, D., & Palacín, M. R. (2010). Beyond Intercalation-Based Li-Ion Batteries: The State of the Art and Challenges of Electrode Materials Reacting Through Conversion Reactions. Advanced Materials, 22(35), E170-E192. doi:10.1002/adma.201000717
Cheng, F., Liang, J., Tao, Z., & Chen, J. (2011). Functional materials for rechargeable batteries. Adv Mater, 23(15), 1695-1715. doi:10.1002/adma.201003587
Choi, N.-S., Yew, K. H., Lee, K. Y., Sung, M., Kim, H., & Kim, S.-S. (2006). Effect of fluoroethylene carbonate additive on interfacial properties of silicon thin-film electrode. Journal of Power Sources, 161(2), 1254-1259. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2006.05.049
Comission. (2002). Recommendations on the Transport of Dangerous Goods. New York: United Nations.
Cui, L.-F., Ruffo, R., Chan, C. K., Peng, H., & Cui, Y. (2008). Crystalline-Amorphous Core−Shell Silicon Nanowires for High Capacity and High Current Battery Electrodes. Nano Letters, 9(1), 491-495. doi:10.1021/nl8036323
Dunn, J. B., Gaines, L., Sullivan, J., & Wang, M. Q. (2012). Impact of Recycling on Cradle-to-Gate Energy Consumption and Greenhouse Gas Emissions of Automotive Lithium-Ion Batteries. Environmental Science & Technology, 46(22), 12704-12710. doi:10.1021/es302420z

Fan, Y., Zhang, Q., Lu, C. X., Xiao, Q. Z., Wang, X. H., & Tay, B. K. (2013). High performance carbon nanotube-Si core-shell wires with a rationally structured core for lithium ion battery anodes. Nanoscale, 5(4), 1503-1506. doi:Doi 10.1039/C3nr33683b
Fears, T. M., Doucet, M., Browning, J. F., Baldwin, J. K. S., Winiarz, J. G., Kaiser, H., . . . Veith, G. M. (2016). Evaluating the solid electrolyte interphase formed on silicon electrodes: a comparison of ex situ X-ray photoelectron spectroscopy and in situ neutron reflectometry. Physical Chemistry Chemical Physics, 18(20), 13927-13940. doi:10.1039/c6cp00978f
Gaines, L., & Nelson, P. (2011). Lithium-Ion Batteries: Examining Material Demand And Recycling Issues Argonne National Laboratory, Argonne, IL.
Gert Berckmans , M. M., Jelle Smekens, Noshin Omar, Lieselot Vanhaverbeke and Joeri Van Mierlo. (2017). Cost Projection of State of the Art Lithium-Ion Batteries for Electric Vehicles Up to 2030. Energies, 10(1314).
Goodenough, J. B., & Kim, Y. (2010). Challenges for Rechargeable Li Batteries. Chemistry of Materials, 22(3), 587-603. doi:Doi 10.1021/Cm901452z
Grande, L. (2017). "Li-ion Batteries 2018-2028". Retrieved from https://www.idtechex.com/research/reports/li-ion-batteries-2018-2028-000557.asp
Hatchard, T. D., & Dahn, J. R. (2004). In situ XRD and electrochemical study of the reaction of lithium with amorphous silicon. Journal of the Electrochemical Society, 151(6), A838-A842. doi:Doi 10.1149/1.1739217
Holzapfel, M., Buqa, H., Hardwick, L. J., Hahn, M., Wursig, A., Scheifele, W., . . . Petrat, F. M. (2006). Nano silicon for lithium-ion batteries. Electrochimica Acta, 52(3), 973-978. doi:DOI 10.1016/j.electacta.2006.06.034
Kasavajjula, U., Wang, C. S., & Appleby, A. J. (2007). Nano- and bulk-silicon-based insertion anodes for lithium-ion secondary cells. Journal of Power Sources, 163(2), 1003-1039. doi:DOI 10.1016/j.jpowsour.2006.09.084
Lee, H. Y., & Lee, S. M. (2004). Carbon-coated nano-Si dispersed oxides/graphite composites as anode material for lithium ion batteries. Electrochemistry Communications, 6(5), 465-469. doi:DOI 10.1016/j.elecom.2004.03.005
Lee, J. H., Kim, W. J., Kim, J. Y., Lim, S. H., & Lee, S. M. (2008). Spherical silicon/graphite/carbon composites as anode material for lithium-ion batteries. Journal of Power Sources, 176(1), 353-358. doi:DOI 10.1016/j.jpowsour.2007.09.119
Li, X., Gu, M., Hu, S., Kennard, R., Yan, P., Chen, X., . . . Liu, J. (2014). Mesoporous silicon sponge as an anti-pulverization structure for high-performance lithium-ion battery anodes. Nature Communications, 5, 4105. doi:10.1038/ncomms5105 http://www.nature.com/articles/ncomms5105#supplementary-information
Lu, C. X., Fan, Y., Li, H., Yang, Y., Tay, B. K., Teo, E., & Zhang, Q. (2013). Core-shell CNT-Ni-Si nanowires as a high performance anode material for lithium ion batteries. Carbon, 63, 54-60. doi:DOI 10.1016/j.carbon.2013.06.038
Obrovac, M. N., & Christensen, L. (2004). Structural changes in silicon anodes during lithium insertion/extraction. Electrochemical and Solid State Letters, 7(5), A93-A96. doi:Doi 10.1149/1.1652421
Patil, A., Patil, V., Shin, D. W., Choi, J. W., Paik, D. S., & Yoon, S. J. (2008). Issue and challenges facing rechargeable thin film lithium batteries. Materials Research Bulletin, 43(8-9), 1913-1942. doi:DOI 10.1016/j.materresbull.2007.08.031
Sharma, R. A., & Seefurth, R. N. (1976). Thermodynamic Properties of Lithium-Silicon System. Journal of the Electrochemical Society, 123(8), C239-C239.
Shu, J., Li, H., Yang, R., Shi, Y., & Huang, X. (2006). Cage-like carbon nanotubes/Si composite as anode material for lithium ion batteries. Electrochemistry Communications, 8(1), 51-54. doi:10.1016/j.elecom.2005.08.024
Tarascon, J. M., & Armand, M. (2001). Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature, 414(6861), 359-367. doi:10.1038/35104644 35104644 [pii]
Wang, G. X., Ahn, J. H., Yao, J., Bewlay, S., & Liu, H. K. (2004). Nanostructured Si–C composite anodes for lithium-ion batteries. Electrochemistry Communications, 6(7), 689-692. doi:https://doi.org/10.1016/j.elecom.2004.05.010
Wu, H., Chan, G., Choi, J. W., Ryu, I., Yao, Y., McDowell, M. T., . . . Cui, Y. (2012). Stable cycling of double-walled silicon nanotube battery anodes through solid-electrolyte interphase control. Nature Nanotechnology, 7(5), 309-314. doi:Doi 10.1038/Nnano.2012.35
Xu, Y. H., Yin, G. P., & Zuo, P. J. (2008). Geometric and electronic studies of Li15Si4 for silicon anode. Electrochimica Acta, 54(2), 341-345. doi:10.1016/j.electacta.2008.07.083
Yang, L. Y., Li, H. Z., Liu, J., Sun, Z. Q., Tang, S. S., & Lei, M. (2015). Dual yolk-shell structure of carbon and silica-coated silicon for high-performance lithium-ion batteries. Scientific Reports, 5, 10908. doi:10.1038/srep10908
Yi, R., Dai, F., Gordin, M. L., Chen, S. R., & Wang, D. H. (2013). Micro-sized Si-C Composite with Interconnected Nanoscale Building Blocks as High-Performance Anodes for Practical Application in Lithium-Ion Batteries. Advanced Energy Materials, 3(3), 295-300. doi:DOI 10.1002/aenm.201200857
Yu, C., Li, X., Ma, T., Rong, J., Zhang, R., Shaffer, J., . . . Jiang, H. (2012). Silicon Thin Films as Anodes for High‐Performance Lithium‐Ion Batteries with Effective Stress Relaxation. Advanced Energy Materials.
Zhang, S., He, M., Su, C.-C., & Zhang, Z. (2016). Advanced electrolyte/additive for lithium-ion batteries with silicon anode. Current Opinion in Chemical Engineering, 13, 24-35. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.coche.2016.08.003

Ayrıntılar

Birincil Dil

Türkçe

Konular

Mühendislik

Bölüm

Araştırma Makalesi

Yazarlar

M. Taha Demirkan
0000-0002-5041-5680
Türkiye

Mehbare Doğrusöz ^*
0000-0002-3064-8081
Türkiye

Yayımlanma Tarihi

3 Aralık 2021

Gönderilme Tarihi

9 Ocak 2020

Kabul Tarihi

12 Ekim 2021

Yayımlandığı Sayı

Yıl 2021 Cilt: 24 Sayı: 4

DOI

https://doi.org/10.17780/ksujes.672828

IZ

https://izlik.org/JA75YH82ML

Kaynak Göster

RIS / Bibtex

APA

Demirkan, M. T., & Doğrusöz, M. (2021). Piezoelektrik Malzemelerin Lityum İyon Batarya Anotlarında Katkı Olarak Kullanılması. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 24(4), 258-270. https://doi.org/10.17780/ksujes.672828