Synthesis and characterization of silica based ionogels as solid state electolyte for li-ion polymer batteries
Yükleniyor...
Dosyalar
Tarih
2021
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
The use of Lithium-ion batteries in large power storage devices creates
potential safety problems and poses a major obstacle in practical application.
Organic solvents are used in lithium-ion batteries. Since these carbon-structured
electrolytes have low flashpoints, battery components can generate heat due to
various exothermic reactions and creates a risk of explosion due to a rise in
temperature. The new generation of solid-state ionic liquid electrolytes, which
started to replace organic electrolytes, has been the subject of researchers. Solidphase
ionic liquids are synthesized by attaching the ionic liquid to a porous support
material physically, chemically, or electrochemically methods. Ionogels
synthesized by the sol-gel method are liquid-solid phase materials obtained by
attaching the ionic liquid to the stable aerogel structure. While these materials carry
the thermal stability properties of porous solid electrolytes, their ionic conductivity
is significantly increased with the ionic liquid in the structure.
In the study, Li-functional silica ionogels were synthesized by two-step solgel
method. While the chemical structures of the ionogels were examined by FTIR
and XPS analyzes, the morphological and pore characteristic were revealed by SEM
analysis and BET method. Also, the thermal behavior of the ionogels was explained
by TGA analysis. In order to examine the effect of Lithium concentration on the
ion conductivity, electrolyte solutions which have different concentration (0.5 ~
2M) prepared and added in the sol preparation step. The density of the M-IGE-2
ionogel prepared with 2M electrolyte solution is 0.132g/cm3 and its porosity is 94%.
In addition, the ion conductivity of the M-IGE-2, which shows 3.3V
electrochemical stability, was determined as 4.06x10-4 S/cm by Potentiostatic EIS
measurement.
Geniş kullanım alanına sahip lityum iyon pillerinin büyük güç depolama araçlarında kullanılması potansiyel güvenlik sorunları yaratmakta ve pratik uygulamada engel teşkil etmektedir. Lityum iyon pillerde genellikle organik çözücüler kullanılır. Karbon yapılı bu elektrolitlerin parlama noktaları düşük olduğundan, pil bileşenleri işleyiş sırasında meydana gelen bir dizi ekzotermik reaksiyonlar sonucunda ısınmakta ve bu sıcaklık artışı patlama riski oluşturmaktadır. Organik yapılı elektrolitlerin yerini almaya başlayan yeni nesil katı-hal iyonik sıvı elektrolitler günümüzde önemli bir araştırma konusu haline gelmiştir. Katı-faz iyonik sıvılar, iyonik sıvının gözenekli bir destek malzemeye fiziksel, kimyasal veya elektrokimyasal olarak bağlanmasıyla sentezlenir. Sol-jel yöntemi ile sentezlenen iyonojeller, iyonik sıvının kararlı aerojel yapısına bağlanmasıyla elde edilen sıvı-katı faz malzemeleridir. Bu malzemeler gözenekli katı elektrolitlerin ısıl kararlılık özelliklerini taşırken, yapıdaki iyonik sıvı, malzemenin iyonik iletkenliğini de önemli ölçüde arttırır. Bu çalışmada, lityum iyon pillerinde kullanılmak üzere Li+ katkılı silika iyonojel katı hal elektrolitleri iki aşamalı sol-jel yöntemi ile sentezlenmiştir. Üretilen elektrolitlerin kimyasal yapılanmaları FTIR, XPS analizleri ile incelenirken, morfolojik ve gözenek yapılanmaları SEM analizi ve BET yöntemi ile açığa çıkarılmıştır. Ayrıca üretilen elektrolitlerin ısıl davranışları TGA analizleri ile açıklanmıştır. Lityum derişiminin iyon iletkenliğine etkisini incelemek amacıyla farklı derişimlerde (0.5 ~ 2M) elektrolit çözeltileri hazırlanmış ve sol aşamasında eklenmiştir. 2M elektrolit çözeltisi ile hazırlanan M-IGE-2 iyonojelin yoğunluğu 0.132g/cm3 ve porozitesi %94 olarak bulunmuştur. Ayrıca, 3.3V’luk elektrokimyasal kararlılık gösteren M-IGE-2 örneğinin iyon iletkenlik değeri Potansiyostatik Empedans ölçümleri ile 4.06x10-4 S/cm olarak belirlenmiştir.
Geniş kullanım alanına sahip lityum iyon pillerinin büyük güç depolama araçlarında kullanılması potansiyel güvenlik sorunları yaratmakta ve pratik uygulamada engel teşkil etmektedir. Lityum iyon pillerde genellikle organik çözücüler kullanılır. Karbon yapılı bu elektrolitlerin parlama noktaları düşük olduğundan, pil bileşenleri işleyiş sırasında meydana gelen bir dizi ekzotermik reaksiyonlar sonucunda ısınmakta ve bu sıcaklık artışı patlama riski oluşturmaktadır. Organik yapılı elektrolitlerin yerini almaya başlayan yeni nesil katı-hal iyonik sıvı elektrolitler günümüzde önemli bir araştırma konusu haline gelmiştir. Katı-faz iyonik sıvılar, iyonik sıvının gözenekli bir destek malzemeye fiziksel, kimyasal veya elektrokimyasal olarak bağlanmasıyla sentezlenir. Sol-jel yöntemi ile sentezlenen iyonojeller, iyonik sıvının kararlı aerojel yapısına bağlanmasıyla elde edilen sıvı-katı faz malzemeleridir. Bu malzemeler gözenekli katı elektrolitlerin ısıl kararlılık özelliklerini taşırken, yapıdaki iyonik sıvı, malzemenin iyonik iletkenliğini de önemli ölçüde arttırır. Bu çalışmada, lityum iyon pillerinde kullanılmak üzere Li+ katkılı silika iyonojel katı hal elektrolitleri iki aşamalı sol-jel yöntemi ile sentezlenmiştir. Üretilen elektrolitlerin kimyasal yapılanmaları FTIR, XPS analizleri ile incelenirken, morfolojik ve gözenek yapılanmaları SEM analizi ve BET yöntemi ile açığa çıkarılmıştır. Ayrıca üretilen elektrolitlerin ısıl davranışları TGA analizleri ile açıklanmıştır. Lityum derişiminin iyon iletkenliğine etkisini incelemek amacıyla farklı derişimlerde (0.5 ~ 2M) elektrolit çözeltileri hazırlanmış ve sol aşamasında eklenmiştir. 2M elektrolit çözeltisi ile hazırlanan M-IGE-2 iyonojelin yoğunluğu 0.132g/cm3 ve porozitesi %94 olarak bulunmuştur. Ayrıca, 3.3V’luk elektrokimyasal kararlılık gösteren M-IGE-2 örneğinin iyon iletkenlik değeri Potansiyostatik Empedans ölçümleri ile 4.06x10-4 S/cm olarak belirlenmiştir.
Açıklama
Anahtar Kelimeler
Li-Ion Polymer Battery, Solid-State Electrolyte, Silica Aerogel, Ionic Liquid, Ambient Pressure Drying, Li-İyon Polimer Pil, Katı-Hal Elektrolit, Silika Aerojel, İyonik Sıvı
