Development of polymeric materials for flexible lithium-ion batteries

Abstract

Esnek elektronik pazarı, klasik elektronik pazarının da ötesine geçmiştir. Yakın gelecekte giyilebilir elektroniklerin ve medikal cihazların kullanımı artacağı için günümüzde esnek katı hal pillerin geliştirilmesi oldukça önemli bir konudur. Yüksek teorik spesifik kapasite, güvenli çalışma gerilimi ve düşük maliyetli üretim gibi avantajları nedeniyle, lityum-sülfür (Li/ S) piller, yeni nesil esnek güç kaynağı olarak karşımıza çıkmaktadır. Esnek sülfür bazlı katodun üretilmesi ve esnek katı hal elektrolitler ile birleştirilmesi, Li/ S piline önemli avantaj sağlayacaktır.Bu tez çalışmasında, esnek lityum-iyon pillerde (LİP'ler) kullanılabilecek birtakım alternatif malzemeler geliştirildi. Araştırmanın ilk bölümünde LİP'lerin temel bir bileşeni olarak esnek, bağlayıcı polimer içermeyen sülfür bazlı kompozit katot elektrospin tekniği ile hazırlandı. Nanofiber sülfür katodun, klasik karbonat bazlı elektrolitler ile uyumlu olduğu görüldü. Yüksek kulombik verimliliği, uzun yaşam döngüsü ve yüksek akım yoğunluğu pil uygulamaları için umut vaat etmektedir.İkinci bölümde, poliakrilonitrilden üç boyutlu karbon nanolif üretilerek, sulfur bazlı katotlar için akım toplayıcı olarak kullanıldı. Ağır metal akım toplayıcısının, daha hafif olan karbon akım toplayıcısı ile değiştirilmesi sülfür katodunun kapasitesini dikkate değer bir şekilde arttırdı.Üçüncü bölümde, UV polimerizasyon metodı ile siloksan bazlı çapraz bağlı esnek katı polimer eletrolitler geliştirildi. Poli(dimetilsiloksan) bazlı katı polimer eletrolitler, ortam sıcaklığında mükemmel esneklik ve iyonik iletkenliğin artışını gösterdi. Filmlerin termal ve yapısal özelliklerinin yanı sıra elektrokimyasal ve mekanik özellikleri araştırıldı.Hazırlanan tüm malzemelerin elektrokimyasal performans testleri düğme tipi bataryalar hazırlayarak yapıldı.

The market for flexible electronics is rapidly growing out of the boundaries of conventional electronics, and in the nearest future these technologies will be implemented to new areas like wearable electronics and medical devices. Thus, the development of flexible all-solid-state batteries is an important task. Owing to its advantages like high theoretical specific capacity, safe operating voltage, and low-cost production, lithium-sulfur (Li/ S) battery is an alternative system for the next generation flexible powering devices. The fabrication of flexible sulfur-based cathode and combination with flexible solid-state electrolytes will significantly advance Li/ S battery.In this dissertation, a number of alternative materials have been developed with the main focus on applicability in flexible lithium-ion batteries (LIBs). The first part of research covers the preparation of an essential component of LIBs, sulfur-based composite cathode. The flexible binder-free sulfur cathode fabricated by electrospinning technique and exhibited good compatibility with the conventional carbonate-based electrolytes. It showed a high coulombic efficiency, long cycle life, and good rate capability, demonstrating a great prospect for battery applications. In the second part, three dimensional structured nanofibrous carbon was fabricated from polyacrylonitrile and applied as a current collector for sulfur-based cathode. The capacity of the sulfur cathode was remarkably enhanced by replacing heavyweight metal with a lightweight carbon current collector.Third part covers the development of siloxane-based solid polymer electrolyte by UV-photocrosslinking method. Poly(dimethylsiloxane)-based cross-linked solid polymer electrolyte has excellent flexibility and improved ionic conductivity at ambient temperature. The electrochemical and mechanical properties of films were investigated as well as thermal and structural characteristics.