Graphen Electrodes Used in Lithium Air Batteries

Abstract

Graphene; it is the only two-dimensional material in the world in which the carbon atom is located in a hexagonal shape. It has been the subject of many studies because it can be used in different areas due to its superior properties. Today, one of the research topics with technological importance is energy production and energy storage. The main target in these studies; to provide efficient, cheap energy production and energy storage. With the rapid progress of technology, battery development studies with long life, high power density and small size have become an important issue. Lithium air batteries are systems that can store more energy than other batteries. The reason why more energy can be stored in these batteries is the use of lighter cathode material compared to other battery systems. Porous carbon is used as the cathode to provide oxygen passage in the lithium-air battery. Graphene, which is one of the carbon-based materials, is preferred as an electrode in lithium-air batteries due to its superior properties. This article covers research on the properties of graphene structure, production methods of graphene, comparison of these methods and potential applications. In addition, the historical development of batteries, current lithium-air battery technologies and the use of New Generation Graphene-based electrodes in Li-air batteries are examined.

Keywords

• Lithium Air batteries
• Graphene Electrodes
• Graphene Oxide

Lityum Hava Pillerinde Kullanılan Grafen Elektrotlar

Abstract

Grafen; karbon atomunun altıgen şeklinde bulunduğu, dünyadaki tek iki boyutlu malzemedir. Sahip olduğu üstün özellikleri sebebiyle farklı alanlarda kullanılabildiği için birçok çalışmaya konu olmuştur. Günümüzde teknolojik öneme sahip araştırma konularından biri de enerji üretimi ve enerjinin depolanmasıdır. Bu çalışmalarda ana hedef; verimli, ucuz enerji üretimini ve enerjinin depolanmasını sağlamaktır. Teknolojinin hızlı ilerlemesiyle, uzun ömürlü, yüksek güç yoğunluğuna ve küçük boyuta sahip pil geliştirme çalışmaları önemli bir konu olmuştur. Lityum hava pili, diğer pillere kıyasla daha fazla enerji depolayabilen sistemlerdir. Bu pillerde daha fazla enerji depolanabilmesinin nedeni, diğer pil sistemlerine göre daha hafif katot malzemesi kullanılmasıdır. Lityum hava pilinde oksijen geçişini sağlamak için katot olarak gözenekli karbon kullanılmaktadır. Karbon esaslı malzemelerden olan grafen, üstün özellikleri sayesinde lityum-hava pillerinde elektrot olarak tercih edilmektedir. Bu makale grafen yapısının özellikleri, grafenin üretim yöntemleri, bu yöntemlerin kıyaslaması ve potansiyel uygulama alanları konusundaki araştırmaları kapsamaktadır. Ayrıca pillerin tarihsel gelişimi, mevcut lityum-hava pil teknolojileri ve Li-hava pillerinde yeni nesil grafen esaslı elektrotların kullanımı konuları incelenmiştir.

Keywords

• Lityum Hava Pilleri
• Grafen Elektrotlar
• Grafen Oksit

References

1. [1] M. Farsak, “Lityum hava pilleri için karbon temelli gözenekli katot malzemesi geliştirilmesi,” Doktora tezi, Kimya, Fen Bilimleri Enstitüsü, Çukurova Üniversitesi, Adana, Türkiye, 2015.
2. [2] F. Tezcan, “Katot üzerinde oksijen gazı indirgenmesi için MoO3 katalizörünün kullanılması,” Yüksek lisans tezi, Kimya, Fen Bilimleri Enstitüsü, Çukurova Üniversitesi, Adana, 2013.
3. [3] M.A., Çakal, C. Çiftçi, E.B., Eymirli, “TRA1 bölgesi linyit ve oltu taşı madenlerinin grafen hammaddesi olarak kullanımına yönelik analiz çalışması,” T.C Kuzeydoğu Anadolu Kalkınma Ajansı, ss. 4-20, 2016.
4. [4] A. H. Castro Neto, F. Guinea, N. M. R. Peres, K. S. Novoselov, and A. K. Geim, “The electronic properties of graphene,” Reviews of Modern Physics, vol. 81, no. 1, pp. 109-162, 2009. [5] R. Mishra and J. Militky, “Carbon-based nanomaterials,” Nanotechnology in Textiles, pp. 163–179, 2019.
5. [6] İ. Tiyek, U. Dönmez, B. Yıldırım, M.H. Alma, M.S. Ersoy, Ş. Karataş ve M. Yazıcı, “Kimyasal Yöntem ile Indirgenmiş Grafen Oksit Sentezi ve Karakterizasyonu,” Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, c. 20, s. 2, ss. 349-357, 2016.
6. [7] E. Adlı, “Grafen ve özellikleri,” Yüksek lisans tezi, Fizik, Fen Bilimleri Enstitüsü, Balıkesir Üniversitesi, Balıkesir, Türkiye, 2019.
7. [8] J. Wang, F. Ma and M. Sun, “Graphene, hexagonal boron nitride, and their heterostructures: properties and applications,” RSC Adv., vol. 7, no. 27, pp. 16801–16822, 2017.
8. [9] H. Gedikoğlu. (2017). Grafen nedir? Grafen nasıl üretilir? Grafen nerelerde kullanılır?. [Çevrimiçi]. Erişim: https://malzemebilimi.net/grafen-uretimi-ve-kullanim-alanlari.html

9. [10] Y. Zhu, S. Murali, W. Cai, X. Li, J. W. Suk, J. R. Potts and R. S. Ruoff. “Graphene and Graphene Oxide: Synthesis, Properties, and Applications,” Advanced Materials Advanced Materials, vol. 22, no. 35, pp. 3906–3924, 2010.
10. [11] Ç. Agin, “Fiziksel ve kimyasal yöntemlerle nano boyutlu grafit tabakaların eldesi ve iletken kompozit uygulamalarında kullanımı,” Yüksek lisans tezi, Kimya Mühendisliği, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, 2013.
11. [12] The Graphene Council. (2020, April 14). Detailed Insight into the Properties and Applications of Graphene. [Online]. Available: https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=5470
12. [13] W. Luo, K. Yarn, Z. Zheng, F. Fasya, D. Faridah, C. N. Chen, “Performance Analysis of Direct Methanol Fuel Cell With Catalyst and Graphene Mixture Coated On To Fuel Channels,” Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, vol. 13, no. 3, pp. 765-775, 2018.
13. [14] Sabancı Üniversitesi. (2016, Ağustos). Grafen Projesi tüm hızıyla devam ediyor. [Çevrimiçi]. Erişim: http://gazetesu.sabanciuniv.edu/tr/2016-08/grafen-projesi-tum-hiziyla-devam-ediyor
14. [15] B. Kozal, “Karbon tabanlı petek örgülerin elektronik özellikleri,” Doktora tezi, Fizik Anabilim Dalı, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2012.
15. [16] N. Baig, A. Waheed, M. Sajid, I. Khan, A. Kawde, M. Sohail, “Porous graphene-based electrodes: Advances in electrochemical sensing of environmental contaminants,” Trends in Environmental Analytical Chemistry, vol. 30, pp. 2214-1588, 2021.
16. [17] J. Luo, H.D. Jang, T. Sun, L. Xiao, Z. He, A.P. Katsoulidis, M.G. Kanatzidis, J.M. Gibson, J. Huang, “Compression and aggregation-resistant particles of crumpled soft sheets,” ACS Nano vol. 5, no. 11, pp. 8943–8949, 2011.
17. [18] E. Asadian, S. Shahrokhian, A. Iraji Zad, F. Ghorbani-Bidkorbeh, “Glassy carbon electrode modified with 3D graphene–carbon nanotube network for sensitive electrochemical determination of methotrexate,” Sens. Actuators B Chem. vol. 239, pp. 617–627, 2017.
18. [19] S.A. Bhuyan, N. Uddin, M. Islam, F.A. Bipasha and S.S. Hossain, “Synthesis of graphene,” International Nano Letters, vol. 6, no. 2, pp. 65–83, 2016.
19. [20] H. Akbulut. (2018, Haziran). Grafen Sentezinde Yeni Bir Yaklaşım ve Yeni Nesil Grafen Esaslı Li-Pil Elektrotları. [Çevrimiçi]. Erişim: https://acikerisim.sakarya.edu.tr/bitstream/handle/20.500.12619/95062/214M125.pdf?sequence=1&isAllowed=y
20. [21] D. Ickecan. (2015, 29 Eylül). Grafen Sentezi. [Çevrimiçi]. Erişim: http://fizikakademisi.com/2015/09/29/grafen-sentezi/
21. [22] A. Bedeloğlu ve M. Taş, “Grafen ve Grafen Üretim Yöntemleri,” Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, c. 16, s. 3, ss. 544-554, 2016.
22. [23] F. Ming, “Theoretical studies of the epitaxial growth of graphene,” Ph.D. dissertation, Dept. Physic, Georgia Institute of Technology, Atlanta, ABD, 2011.
23. [24] J.H. Warner, F. Schäffel, A. Bachmatiuk and M.H. Rümmeli, “Graphene: Fundamentals and emergent applications,” Amsterdam: Elsevier. 2013.
24. [25] Ö. Kurt, “Grafen oksit ve nanoselüloz katkılı kitosan esaslı polimer membranların geliştirilmesi ve atık su arıtımında kullanılması,” Yüksek lisans tezi, Kimya Mühendisliği, Fen Bilimleri Enstitüsü, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir, Türkiye, 2018.
25. [26] M. Yazıcı, İ. Tiyek, M.S. Ersoy, M.H. Alma, U. Dönmez, B. Yıldırım, T. Salan, Ş. Karataş, S. Uruş, İ. Karteri ve K. Yıldız, “Modifiye Hummers Yöntemiyle Grafen Oksit (GO) Sentezi ve Karakterizasyonu,” Gazi University Journal of Science Part C: Design and Technology, c. 4, s. 2, ss. 41-48, 2016 .
26. [27] S. Arna, “Atık Pillerin Yönetimi,” Kimya Mühendisliği Dergisi, s. 172, ss. 32-34, 2009.
27. [28] A. Üçtepe, “Lityum iyon bataryalarda silisyum/karbon kompozitlerinin anot malzemesi olarak kullanılması ve optimizasyonu,” Yüksek lisans tezi, Kimya Mühendisliği, Fen Bilimleri Enstitüsü Gebze Teknik Üniversitesi, İzmit, Türkiye, 2019.
28. [29] N. Akhtar and W. Akhtar, “Prospects, challenges, and latest developments in lithium-air batteries,” International Journal of Energy Research, vol. 39, no. 3, pp. 303–316, 2015.
29. [30] Norm Enerji Sistemleri. (2012, Aralık). Pil Akü Batarya Çeşitleri, Teknolojileri. [Çevrimiçi]. Erişim: http://www.normenerji.com.tr/menu_detay.asp?id=10125
30. [31] P. Ball. (2012, December). Up in the air. [Çevrimiçi]. Available: https://www.zurich.ibm.com/pdf/news/lithium_air_batteries.pdf
31. [32] H. Minami, H. Izumi, T. Hasegawa, F. Bai, D. Mori, S. Taminato, Y. Takeda, O. Yamamoto, N. Imanishi, “Aqueous Lithium--Air Batteries with High Power Density at Room Temperature under Air Atmosphere,” Journal of Energy and Power Technology, vol. 3, no. 3, pp. 1-12, 2021.
32. [33] P. He, T. Zhang, J. Jiang and H. Zhou, “Lithium Air Batteries with Hybrid Electrolytes,” The Journal of Physical Chemistry Letters, vol. 7, no. 7, pp. 1267-1280, 2016.
33. [34] X. Zhu, T.S. Zhao, Z. Wei, P. Tan, L. An, “A high-rate and long cycle life solid-state lithium-air battery,” Energy Environ. Sci., vol. 8, no. 12, pp. 3745-3754, 2015.
34. [35] K. Liao, S. Wu, X. Mu, Q. Lu, M. Han, P. He, Z. Shao, H. Zhou, “Developing a “Water-Defendable” and “Dendrite-Free” Lithium-Metal Anode Using a Simple and Promising GeCl4 Pretreatment Method,” Advanced Materials, vol. 30, no. 36, pp. 1-8, 2018.
35. [36] Y. Ma, P. Qi, J. Ma, L. Wei, L. Zhao, J. Cheng, Y. Su, Y. Gu, Y. Lian, Y. Peng, Y. Shen, L. Chen, Z. Deng, Z. Liu, “Wax‐Transferred Hydrophobic CVD Graphene Enables Water‐Resistant and Dendrite‐Free Lithium Anode toward Long Cycle Li–Air Battery,” Advanced Science, vol. 8, no. 16, pp. 1-11, 2021.
36. [37] China Energy Storage Alliance. (2015, July 21). Applications of Graphene in Lithium-ion Batteries, [Online]. Available: http://en.cnesa.org/latest-news/2015/7/21/applications-of-graphene-in-lithium-ion-batteries
37. [38] Z. Ma, X. Yuan, L. Li, Z. Ma, D.P. Wilkinson, L. Zhang and J. Zhang, “A review of cathode materials and structures for rechargeable lithium–air batteries,” Energy Environ. Sci., vol. 8, no. 8, pp. 2144–2198, 2015.
38. [39] D. Aurbach, B.D. McCloskey, L.F. Nazar, P.G. Bruce, “Advances in understanding mechanisms underpinning lithium–air batteries,” Nature Energy, vol. 1, no. 9, pp. 1-11, 2016.
39. [40] S. S. Zhang, X. Ren and J. Read, “Heat-treated metal phthalocyanine complex as an oxygen reduction catalyst for non-aqueous electrolyte Li/air batteries,” Electrochim. Acta, vol. 56, no. 12, pp. 4544-4548, 2011.
40. [41] S. Stankovich, D. A. Dikin, R. D. Piner, K. A. Kohlhaas, A. Kleinhammes, Y. Jia, Y. Wu, S. T. Nguyen, R. S. Ruoff, “Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide,” carbon, vol. 45, no. 7, pp. 1558– 1565, 2007.
41. [42] J. Xiao, D. Mei, X. Li, W. Xu, D. Wang, G. Graff, W. Bennett, Z. Nie, L. Saraf, I. Aksay, W. Liu, J. Zhang, “Hierarchically Porous Graphene as a Lithium-Air Battery Electrode,” Nano letters. vol. 11, no. 11, pp. 5071-5078, 2011.
42. [43] B. Sun, X. Huang, S. Chen, P. Munroe and G. Wang, “Porous Graphene Nanoarchitectures: An Efficient Catalyst for Low Charge-Overpotential, Long Life, and High Capacity Lithium–Oxygen Batteries,” Nano Letters, vol. 14, no. 6, pp. 3145–3152, 2014.
43. [44] Y. Li, J. Wang, X. Li, D. Geng, R. Li, X. Sun, “Superior energy capacity of graphene nanosheets for a nonaqueous lithium-oxygen battery,” Chemical Communications, vol. 47, no. 33, pp. 9438-9440, 2011.
44. [45] Z. Wang, D. Xu, J. Xu, L. Zhang and X. Zhang. “Graphene Oxide Gel-Derived, Free-Standing, Hierarchically Porous Carbon for High-Capacity and High-Rate Rechargeable Li-O2 Batteries,” Advanced Functional Materials, vol. 22, no. 17, pp. 3699-3705, 2012.
45. [46] T. Cetinkaya, S. Ozcan, M. Uysal, M. Guler, H. Akbulut, “Free-standing flexible graphene oxide paper electrode for rechargeable Li–O2 batteries,” Journal of Power Sources. c. 267. ss. 140–147, 2014.
46. [47] D.Y. Kim, M. Kim, W. Dong, J. Suk, O. Park, Y. Kang, “Flexible binder-free graphene paper cathodes for high-performance Li-O2 batteries,” Carbon, vol. 93, ss. 625–635, 2015.