LATP Seramik Elektrolit ve Polimer Elektrolitten Oluşan Kompozit Katı Elektrolit Sentezi

Yıl 2024, Cilt: 5 Sayı: 2, 122 - 130, 28.11.2024

Fatih Öksüzoğlu

Öz

Yüksek polimer-seramik hibrit elektrolitler, katı hal bataryaları şarj edilebilir cihazlarda yüksek güvenlik ve optimum mekanik özellikler elde etmek için umut verici bir çözüm olarak araştırılmaktadır. Bu çalışmada, kompozit malzeme üretmek için polietilen oksit (PEO) polimer elektrolit ve NASICON tipi LiAlTi (PO4)3 (LATP) katı elektrolit ile kompozit yapılarak elde edilen katı hal elektrolitlerinin iyonik iletkenliğinin artırılması amaçlanmıştır. Amorf polimer içeriğini artırarak ve seramik partiküllerin bileşiminin, boyutunun ve dağılımı özellikleri ile kompozit yapının taşıma özellikleri üzerindeki rolünü dikkatlice araştırarak "polimer içinde seramik" sistemlerinin taşıma özelliklerinde iyileştirmeler hedeflenmektedir. Bu sayede katı hal bataryasında elektrolit-elektrot arayüzeyinde dendrit oluşumunun baskılanması amaçlanmaktadır. Sentezlenen kompozit elektrolitin kristal yapısı, morfolojik özellikleri ve Li+ iyon iletkenliği sırasıyla X-ışını kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM), elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) teknikleri ile incelenmiştir. Ağırlıkça %15 LATP ve ağırlıkça %85 PEO- LiCIO4 tuzu içeren membranlar 3.5 × 10 -5 S cm-1 iyonik iletkenlik değeri elde edilmiştir. Elde edilen SEM görüntüleri sentezlenen katı elektrolitin nispeten düşük homojenliğe sahip olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

Kompozit katı elektrolit, LATP elektrolit, Polimer elektrolit

Etik Beyan

Bu çalışmanın, özgün bir çalışma olduğunu, çalışmanın hazırlık, veri toplama, analiz ve bilgilerin sunumu olmak üzere tüm aşamalarından bilimsel etik ilke ve kurallarına uygun davrandığımı çalışmayla ilgili yaptığım bu beyana aykırı bir durumun saptanması durumunda, ortaya çıkacak tüm ahlaki ve hukuki sonuçlara razı olduğumu bildiririm.

Destekleyen Kurum

Selçuk Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) Birimi

Proje Numarası

23401002

Teşekkür

Bu çalışmam da malzeme karakterizasyon ölçümleri için Selçuk Üniversitesi İleri Teknoloji araştırma merkezine (İLTEK) teşekkür ederim. Ayrıca finansal desteği ile “23401002” nolu proje kapsamında Selçuk Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) tarafından desteklenmiştir.

Kaynakça

• Sun, C., Liu, J., Gong, Y., Wilkinson, D. P., & Zhang, J. (2017). Recent advances in all-solid-state rechargeable lithium batteries. Nano Energy, 33, 363-386.
• Goodenough, J. B. (2013). Evolution of strategies for modern rechargeable batteries. Accounts of Chemical Research, 46(5), 1053-1061.
• Goodenough, J. B., & Park, K.-S. (2013). The Li-ion rechargeable battery: a perspective. Journal of the American Chemical Society, 135(4), 1167-1176.
• Bachman, J. C., Muy, S., Grimaud, A., Chang, H.-H., Pour, N., Lux, S. F., Paschos, O., Maglia, F., Lupart, S., & Lamp, P. (2016). Inorganic solid-state electrolytes for lithium batteries: mechanisms and properties governing ion conduction. Chemical Reviews, 116(1), 140-162.
• Quartarone, E., & Mustarelli, P. (2011). Electrolytes for solid-state lithium rechargeable batteries: recent advances and perspectives. Chemical Society Reviews, 40(5), 2525-2540.
• Yu, X., & Manthiram, A. (2018). Electrode–electrolyte interfaces in lithium-based batteries. Energy & Environmental Science, 11(3), 527-543.
• Yu, X., & Manthiram, A. (2017). Electrode–electrolyte interfaces in lithium–sulfur batteries with liquid or inorganic solid electrolytes. Accounts of Chemical Research, 50(11), 2653-2660.
• Wang, S., Xu, H., Li, W., Dolocan, A., & Manthiram, A. (2018). Interfacial chemistry in solid-state batteries: formation of interphase and its consequences. Journal of the American Chemical Society, 140(1), 250-257.
• Li, Y., Xu, B., Xu, H., Duan, H., Lü, X., Xin, S., Zhou, W., Xue, L., Fu, G., & Manthiram, A. (2017). Hybrid polymer/garnet electrolyte with a small interfacial resistance for lithium‐ion batteries. Angewandte Chemie International Edition, 56(3), 753-756.
• Armand, M. (1994). The history of polymer electrolytes. Solid State Ionics, 69(3-4), 309-319.
• Tarascon, J.-M., & Armand, M. (2001). Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature, 414(6861), 359-367.
• MacCallum, J. R., & Vincent, C. A. (1989). Polymer Electrolyte Reviews (Vol. 2). Springer Science & Business Media.
• Wright, P. V. (1975). Electrical conductivity in ionic complexes of poly (ethylene oxide). British polymer journal, 7(5), 319-327.
• Armand, M. (1983). Polymer solid electrolytes-an overview. Solid State Ionics, 9, 745-754.
• Watanabe, M., Kanba, M., Matsuda, H., Tsunemi, K., Mizoguchi, K., Tsuchida, E., & Shinohara, I. (1981). High lithium ionic conductivity of polymeric solid electrolytes. Die Makromolekulare Chemie, Rapid Communications, 2(12), 741-744.
• Gray, F. M. (1991). Solid Polymer Electrolytes: Fundamentals and Technological Applications. Wiley-VCH, Weinheim.
• Scrosati, B., Croce, F., & Persi, L. (2000). Impedance spectroscopy study of PEO‐based nanocomposite polymer electrolytes. Journal of the Electrochemical Society, 147(5), 1718.
• Croce, F., Appetecchi, G., Persi, L., & Scrosati, B. (1998). Nanocomposite polymer electrolytes for lithium batteries. Nature, 394(6692), 456-458.
• Stephan, A. M. (2006). Review on gel polymer electrolytes for lithium batteries. European Polymer Journal, 42(1), 21-42.
• Nan, C.-W., Fan, L., Lin, Y., & Cai, Q. (2003). Enhanced Ionic Conductivity of Polymer Electrolytes Containing Nanocomposite S i O 2 Particles. Physical Review Letters, 91(26), 266104.
• Pitawala, H., Dissanayake, M., & Seneviratne, V. (2007). Combined effect of Al2O3 nano-fillers and EC plasticizer on ionic conductivity enhancement in the solid polymer electrolyte (PEO) 9LiTf. Solid State Ionics, 178(13-14), 885-888.
• Xiong, H.-M., Zhao, X., & Chen, J.-S. (2001). New polymer− inorganic nanocomposites: PEO− ZnO and PEO− ZnO− LiClO4 films. The Journal of Physical Chemistry B, 105(42), 10169-10174.
• Chen, L., Li, Y., Li, S.-P., Fan, L.-Z., Nan, C.-W., & Goodenough, J. B. (2018). PEO/garnet composite electrolytes for solid-state lithium batteries: From “ceramic-in-polymer” to “polymer-in-ceramic”. Nano Energy, 46, 176-184.
• Fan, L., Wei, S., Li, S., Li, Q., & Lu, Y. (2018). Recent progress of the solid‐state electrolytes for high‐energy metal‐based batteries. Advanced Energy Materials, 8(11), 1702657.
• Li, W., Zhang, S., Wang, B., Gu, S., Xu, D., Wang, J., Chen, C., & Wen, Z. (2018). Nanoporous adsorption effect on alteration of the Li+ diffusion pathway by a highly ordered porous electrolyte additive for high-rate all-solid-state lithium metal batteries. ACS Applied Materials & Interfaces, 10(28), 23874-23882.
• Li, W., Sun, C., Jin, J., Li, Y., Chen, C., & Wen, Z. (2019). Realization of the Li+ domain diffusion effect via constructing molecular brushes on the LLZTO surface and its application in all-solid-state lithium batteries. Journal of Materials Chemistry A, 7(48), 27304-27312.
• Abdelrazek, E. M., Abdelghany, A. M., Badr, S. I., & Morsi, M. A. (2018). Structural, optical, morphological and thermal properties of PEO/PVP blend containing different concentrations of biosynthesized Au nanoparticles. Journal of Materials Research and Technology, 7(4), 419-431.
• Ban, X., Zhang, W., Chen, N., & Sun, C. (2018). A high-performance and durable poly (ethylene oxide)-based composite solid electrolyte for all solid-state lithium battery. The Journal of Physical Chemistry C, 122(18), 9852-9858.
• Yan, Q., Cheng, X., Yan, R., Pu, X., & Zhu, X. (2024). An ameliorated interface between PEO electrolyte and Li anode by Li1. 3Al0. 3Ti1. 7 (PO4) 3 nanoparticles. Journal of Solid State Electrochemistry, 28(2), 601-607.
• Takahashi, Y., & Tadokoro, H. (1973). Structural studies of polyethers,(-(CH2) mO-) n. X. Crystal structure of poly (ethylene oxide). Macromolecules, 6(5), 672-675.
• Yang, S., Liu, Z., Liu, Y., & Jiao, Y. (2015). Effect of molecular weight on conformational changes of PEO: an infrared spectroscopic analysis. Journal of Materials Science, 50, 1544-1552.
• Wang, W., Yi, E., Fici, A. J., Laine, R. M., & Kieffer, J. (2017). Lithium ion conducting poly (ethylene oxide)-based solid electrolytes containing active or passive ceramic nanoparticles. The Journal of Physical Chemistry C, 121(5), 2563-2573.
• Wang, Y. J., Pan, Y., & Kim, D. (2006). Conductivity studies on ceramic Li1. 3Al0. 3Ti1. 7 (PO4) 3-filled PEO-based solid composite polymer electrolytes. Journal of Power Sources, 159(1), 690-701.
• Wang, Y. J., & Pan, Y. (2005). Li1. 3Al0. 3Ti1. 7 (PO4) 3 filler effect on (PEO) LiClO4 solid polymer electrolyte. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 43(6), 743-751.