Investigation of the effects of binders on Si anode material performance in Li-ion batteries - Cingisiz, Şebnem (My University, 2022)
Son yıllarda toplumun artan enerji talepleri (özellikle taşınabilir elektronik cihazlar ve elektrikli araçlar) ve fosil yakıtların sınırlı kaynakları enerji depolama sistemlerine büyük önem kazandırmıştır. Elektrokimyasal enerji depolama sistemlerinden biri olan Li-iyon bataryalar uzun çevrim ömrü, güvenli, yüksek enerji yoğunluğu ve hafif tasarımı gibi özellikleriyle ön plana çıkmaktadır. Li-iyon bataryalarda kullanılan düşük teorik kapasiteli grafit anot (372 mAh/ g) artan enerji taleplerini karşılamakta yetersiz kalmaktadır. Silisyum (Si) anot, yüksek teorik kapasitesi (4200 mAh/ g), yeryüzündeki bol rezervleri ve çevre dostu olmasıyla Li-iyon pillerde büyük ilgi görmektedir. Si anot elektrotu önemli avantajlara sahip olmasına rağmen, Li-iyon pillerinin deşarjı sırasında gerçekleşen büyük hacim değişiklikleri sonucunda elektrotta çatlamalara sebep olmaktadır. Elektrotun yapısal bütünlüğünün bozulmasının bir sonucu olarak aktif malzeme, iletken katkı maddesi ve akım toplayıcı arasında elektriksel temas kaybı nedeniyle hızlı kapasite düşüşü meydana gelir. Bağlayıcılar aktif malzeme ile iletken katkı maddesini sararak akım toplayıcıya bağlar ve elektrotun mekanik stabilitesine katkıda bulunur. Bağlayıcıların anot malzemelerinin elektrokimyasal performansını iyileştirici katkı sağladığı bilinse de ticari Li-iyon bataryalarda kullanılan polivinilidin florür (PVdF) zayıf Van der Waals etkileşimleri nedeniyle çevrimler sırasında Si anotun mekanik kararlılığını sürdürememektedir. Ayrıca yanıcı, patlayıcı ve uçucu olan N-Metil-2-pirolidon (NMP) çözücüsü içinde çözünmektedir. Son yıllarda çevre dostu ve yüksek performanslı bağlayıcıların geliştirilmesi üzerine odaklanılmıştır. Bu tez çalışmasında ucuz, çevre dostu, suda çözünebilir, psyllium sakızı Si anotta ilk defa bağlayıcı olarak kullanılarak elektrokimyasal performansı test edilmiştir. Psyllium sakızı bağlayıcı, galvanostatik şarj/ deşarj testi sonuçlarına göre 0.01-1.5 V voltaj aralığı, C/ 2 akım yoğunluğunda 100 çevrim sonrası 1415 mAh/ g kapasite sergilemiştir.

Nowadays, with the increasing energy demands of society (especially portable electronic devices and electric vehicles) and the limited resources of fossil fuels, energy storage has gained great importance. Li-ion batteries, one of the electrochemical energy storage systems, stand out with their properties such as long cycle life, safe, high-energy-density and lightweight design. The low theoretical capacity graphite anode (372 mAh/ g) used in Li-ion batteries is insufficient to meet the increasing energy demands. On the other hand, silicon (Si) anode attracts great attention in Li-ion batteries with its high theoretical capacity (4200 mAh/ g), abundant reserves on earth and eco-friendly nature. Although the Si anode electrode has significant advantages, cracks occur in the electrode because of large volume changes in its structure during discharge cycles in Li-ion batteries. As a result of the deterioration of the structural integrity of the electrode, rapid capacity decay occurs due to the loss of electrical contact between the active material, conductive additive and current collector. The binders surround the active material and the conductive additive, connect them to the current collector and contribute to the mechanical stability of the electrode. Although it is known that the binders contribute to improving the electrochemical performance of the anode materials, the polyvinylidene fluoride (PVdF) used in commercial Li-ion batteries cannot maintain the mechanical integrity of the Si anode during cycles due to the weak Van der Waals interactions. It also dissolves in the flammable, explosive and volatile N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) solvent. Recent studies have focused on the development of environmentally friendly and high-performance binders. In this thesis, the electrochemical performance of psyllium gum was tested for the first time as an inexpensive, eco-friendly, water-soluble binder for Si anode. According to the galvanostatic charge/ discharge test results, the psyllium gum binder exhibited a voltage range of 0.01-1.5 V and a capacity of 1415 mAh/ g after 100 cycles at C/ 2 current density.
Keywords: Chemical engineering; electrochemical performance; elektrokimyasal performans Li-ion battery; Kimya mühendisliği; Li-iyon batarya; psyllium bağlayıcı; psyllium binder; silicon anode; silisyum anot