TR2022013552T - Termoplasti̇k i̇çeren kompozi̇t malzemeni̇n bakir üzeri̇ne uygulanarak anotlarda kullanimi - Google Patents

Abstract

İkincil pillerin anodunda kullanılmaya yönelik bir polimere takviye elemanı eklenerek yalıtkan olan termoplastik malzemenin iletken ve enerji depolamaya uygun hale getirilmesi sağlanmıştır. Anot hücresinde lityum konağı olarak bakır levha üzerinde kullanılan grafite alternatif olarak elektrik iletkenliği ve enerji depolama özelliği kazandırılmış termoplastiklerin kullanımı mümkün kılınmıştır.

Description

TARIFNAME IKINCIL PILLERDE ANOTLAR IÇIN KULLANILAN TERMOPLASTIK TABANLI KOMPOZIT MALZEME Teknik Alan Ikincil pillerin anot elemaninda kullanilmaya yönelik bir polimer olan termoplastik türlerine takviye ve/veya dolgu elemani eklenerek, elektriksel yalitkan olan termoplastik malzemenin iletken hale getirilmesi saglanmis ve enerji depolama özelligi getirilmistir. Anot hücresinde lityum konagi olarak bakir levha üzerinde geleneksel kullanilan grafite alternatif olarak elektrik iletkenligi ve enerji depolama özelligi kazandirilmis termoplastik kompozit malzeme kullanimi mümkün kilinmistir. Önceki Teknik Çagimizin en önemli sorunlarindan biri olan enerji üretimi ve depolamasinda maliyetlerin düsürülmesidir. Temiz ve yenilenebilir kaynaklarin bulunup gelistirilmesinde, temel bilimlerin en köklü dallarindan bir olan elektrokimyasal çalismalar ve malzeme bilimi büyük öneme sahiptir. Yenilenebilir enerji kaynaklarinin kararli olamamasi nedeniyle elektrik üretimi için bunlarla orantili olarak enerji depolama cihazlarina ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadir. Temel tanim olarak, enerji depolamada kullanilan ve kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüstüren sistemlere pil adi verilmektedir. Günümüzde yaygin olarak kullanilan pil çesitleri, birincil piller ve ikincil pillerdir. Birincil piller sarj edilemeyen, ikincil piller sarj edilebilen pillerdir. Ikincil piller, tekrar kullanilabilir olusu ve çevreye duyarliligi sebebiyle daha yaygin kullanilmaktadir. Son yillarda ön plana çikan ikincil pillerin, özellikle lityum iyon(Li- ion) pillerinin, gelistirilmesine yönelik giderek artan sayida arastirma ve gelistirme projeleri üzerinde çalismalar yürütülmektedir. Son yillarda enerji verim artisi için düsük maliyetli ve yüksek etkinlige sahip yeni nesil kompozit anot ve katot elektrotlarin gelistirilmesine iliskin yogun çalismalar yapilmaktadir. Teknolojideki gelismeler ve hedefler dogrultusunda iletisimden savunma sanayine, sagliktan ulasima her alanda gereksinimler hizli bir sekilde karsilanmaktadir. Yasadigimiz 21. yüzyilda neredeyse her birey tasinabilir elektronik aletlerden (cep telefonlari, fotograf makinalari, bilgisayar vb.) birine sahiptir. Dahasi teknolojik gelismelerin etkisiyle günlük yasantimizda kullandigimiz elektronik aletlerin çogu kablosuz kullanim için uygun hale gelmistir. Kablosuz hale gelmis bu aletlerin kullanimi için gerekli olan temel sart tasinabilir bir enerji kaynagina sahip olmalaridir. Bu enerji kaynagi yüksek enerji yogunluguna sahip, uzun ömürlü, kisa sarj süresi ve çevreye zarar vermeyen bir kaynak olma zorunlulugu tasimasidir. Bu kapsamda enerji ihtiyacini karsilayacak olan tekrar sarj edilebilen ikincil piller tasinabilir elektronik alet teknolojisi için yaygin olarak kullanilmaktadir. Birçok çalisma, petrol kaynaklarinin gelecek yillarda tükenmesi ile birlikte elektrikli araç kullaniminin artacagini ve bu enerji depolama ihtiyacinin yeni nesil ikincil piller ile saglanacagini savunmaktadir. Günümüzde kullanilmakta olan ikincil pillerin en popüleri ise, Li-ion pilleridir. Li-ion pillerde, katot elemani olarak bir lityum kaynagi (lityum metali, lityum tuzu ya da organolityum bilesikleri) bir konak anot elamani olarak karbon bazli bilesikler, seramik veya metalik tuzlar ve elektrolit olarak bir susuz organik çözelti ya da kati faz elektroliti kullanilmaktadir. Mevcut teknikte kullanilmakta olan anot elemanlarinda, grafitin kararli olmamasi, lityum dentritleri olusturmasi, döngü sayisinda problemler, enerji kapasitesindeki verimsizlik, güç yogunlugunun az olmasi, üretim zorlugu, güvenlik problemleri ve geri dönüstürülebilme kisitliligi nedeniyle çevreye olasi zararlari olmasi ikincil pillerin yayginlasmasinda engeller olusturmaktadir. Mevcut çözüm tekniklerinde genel anlamda, elektriksel iletkenligi bilinen polimerik kompozit, seramik kompozit, metalik kompozit ya da karbon türevli nanopartikül veya takviyeleri içeren kompozit malzemelere yönelim bulunmaktadir. Teknigin bilinen durumuna geçmis Eylül 2004 yilinda Journal of Power Sources adli derginin Cilt 135 de Pyrolysis of an alkyltin/polymer mixture to form a tin/carbon composite for use as an anode in lithium-ion batteries basligiyla yer verilen makalede elektriksel iletkenligi bilinen polimerik malzemelerden bahsedilmektedir. Bu kapsamda çalisilan anot malzemelerinde istenilen desarj kapasitesi, enerji yogunlugu ve çevrim sayisi kazanimlari bulunmakla beraber üretim zorlugu ve üretim parkuru maliyeti nedeniyle piyasaya sürülmesi konusunda sorunlar yasanmistir. Geleneksel olarak kullanilan grafit malzemesinin sentetik ya da dogal olarak kullaniminda çesitli zorluklar oldugundan bu malzemenin islenip anot olarak kullanilmasi ugrastirici ve maliyetlidir. Bu çalismalarin disinda Ocak 2021 yilinda Mechanics of Materials adli derginin Cilt 152 de Modelling electrolyte-immersed tensile property of polypropylene separator for Iithium-ion battery baslikli makalede elektrolit yapimina yer verilmistir. Bu çalismada elektrolit yapiminda genel anlamda polipropilen (PP) ve polietilen (PE) basta olmak üzere termoplastiklerin kullanildigi çalismalar yapilmistir. Termoplastiklerin genel olarak termal enerji depolama amaci için kullanildigi çalismalara literatürde yer verilmistir. Örnek olarak Haziran 2018' de Materialstoday Communications adli derginin Cilt 15 de 3D printable thermoplastic polyurethane blends with thermal energy storage/release capabilities baslikli makalesinde termoplastikten mamul termal depolayicilardan bahsedilmektedir. Fakat anot malzemesi olarak elektriksel enerji depolama konusunda termoplastik bazli kompozit malzeme kullanilmadigi sonucuna varilmistir. Bulusun Amaci Plastik; karbon (C), hidrojen (H), oksijen (O), azot (N) ve diger organik ya da inorganik elementlerin olusturdugu monomer adi verilen; basit yapidaki moleküllü gruplardaki bagin koparilarak polimer adi verilen uzun ve zincirli bir yapiya dönüstürülmesi ile elde edilen malzemelere verilen isimdir. Örnek vermek gerekirse etilen bir monomerdir. Etilen monomerden olusturulan polietilen ise polimer olup en çok kullanilan plastiklerin basinda gelmektedir. Plastikler dogada hazir bulunmamaktadir. Polimerlerin elde edilmesi, belli bir sicaklik ve basinç altinda, katalizör kullanilarak monomerlerin reaksiyona sokulmasi ile gerçeklesmektedir. Plastik ilk üretildiginde toz, reçine veya granül hâlde olabilmektedir. Termoplastikler, üstün mekanik özellikler, termal stabilite, islenebilirlik ve geri dönüstürülebilirlik özellikleri sayesinde son yillarda modern yasamin en yaygin kullanilan malzemelerinden biri haline gelmistir. Termoplastikler, termosetlerin aksine isi uygulamasiyla yumusatilip eritilebilen ve isiyla yumusatilmis durumda (örnegin isiyla sekillendirme) veya eriyik halde (örnegin ekstrüzyon ve enjeksiyonla kaliplama) islenebilen bir polimer sinifidir. Termoplastik polimerler, isi uygulamasiyla tekrar tekrar islenebilir ve dogrudan yeni ürünler yapmak için geri dönüstürülebilir. Termoplastik parçalar yapmak için kullanilan yaygin üretim süreçleri enjeksiyonla kaliplama, sisirme ve isiyla sekillendirmedir. Geri dönüsüm avantajina ek olarak, termoplastikler yüksek süneklik ve darbe direncine sahiptirler. Direnç kaynagi, titresim kaynagi ve ultrasonik kaynak gibi çesitli kaynak teknikleriyle de birlestirilebilirler. Ayrica, termoplastik parçalar için sekillendirme süreleri, oldukça düsüktür. Bunun nedeni, isiyla sertlesen parçalarin islenmesinin kalipta, kalip sicakligina ve parça kalinligina bagli olarak birkaç dakika ile birkaç saat sürebilen bir kimyasal reaksiyonu (sertlestirme veya çapraz baglama reaksiyonu) içermesidir. Dünyada üzerine çok çalisilan ve genis bir kullanim alani bulunan termoplastik malzemelerin daha önce ikincil pillerde enerji depolama araci olarak denenmedigi sonucuna varilmistir. Termoplastiklerin moleküler yapisi (uzun zincir yapilari) dolayisiyla Lityum iyonlari için iyi bir konak görevi görecegi ve sarj-desarj kapasitesi yüksek bir anot malzemesi olabilecegi öngörülmektedir. Termoplastik tabanli kompozit malzemelerin üretim prosesi ekstrüzyon yöntemi ile kolaylikla yapilmaktadir. Mevcut anot üretim yöntemine göre ekstrüzyon yöntemi hem pratik hem de daha hizli bir yöntemdir. Ayrica, termoplastiklerin sekillendirilmesi kolay oldugundan dolayi anot malzemesi olarak üretildikten sonra isleme sirasinda hizli ve daha çesitli ve daha kolay yöntemler kullanmanin önünü açmaktadir. Ikincil pillerin anot malzemesi olarak termoplastik tabanli kompozit malzeme kullanilmasiyla amaçlananlar asagida siralandigi gibidir. . Anodun desarj kapasitesinde, enerji kapasitesinde ve çevrim sayisinda artis saglamaktadir. . Anodun üretilmesinde prosesin standartlasmasini ve kolaylasmasini saglamak ve üretim maliyetlerini asagi çekmektedir. . Anodun üretiminde termoplastik tabanli kompozit malzeme kullanilmasiyla Lityum iyon pillerinin bilinen güvenlik problemlerinin (patlama, isinma, alevlenme vb.) önüne geçmekte olup anot malzemesinin geri dönüstürülebilmesine imkân tanimaktadir. Bulusun Detayli Anlatimi Sekillerin açiklamasi: Sekil - 1 Potansiyel' e karsi zaman grafigi Sekil - 2 Spesifik kapasite' ye karsi çevirim sayisi grafigi Termoplastik malzemelerin yalniz basina anot malzemesi olarak kullanilamamasinin en büyük nedeni plastiklerin dogalari geregi elektriksel yalitkan malzemeler olmasindandir. Gerçeklestirilen çalismalarla termoplastik tabanli kompozit malzemeler yapilarak elektriksel iletken ve enerji depolamaya uygun hale getirilmesi saglanmaktadir. Bu çalismalar kapsaminda termoplastik malzemelere metal/metal mineraIi/organometalik bilesikler ile birlikte karbon türevi takviye ve/veya dolgu elemanlari katilarak elektriksel iletkenlik, enerji depolama özellikleri ve kararIiIikIari iyilestirilmektedir. Ikincil piIIerde aktif anot malzemesi olarak elektriksel iletkenlik ve enerji depolama özelligi kazandiriImis termoplastik tabanli kompozit malzeme kullanilmaktadir. Bu sayede, pilin döngü sayisi ve geri dönüsüme uygunlugu arttirilmaktadir. Termoplastik tabanli kompozit malzemenin anot malzemesi olarak kullanilmasi ve enerji depolamaya dayali anot malzemesinin yogunlugunun azalmasiyla kullanilabilecek aktif maddenin artmasi saglanmaktadir. Bunun sonucunda sarj- desarj kapasitesinin artmasi ve kullanilan takviye ve/veya dolgu maddelerinin lityum dentrit olusumunu engellemesi saglanmaktadir. Polimer tabanli kompozit malzemede termoplastik matris olarak; Polietilen (Polyethylene) (PE), Polipropilen (Polypropylene) (PP), Polistiren (Polystyrene) (PS), Polietilen tereftalat (Polyethylene terephthalate) (PET veya PTFE), Polyamid (PoIyamide) (PA) (Nylon), PoIiviniI kIorür (PovainyI chIoride) (PVC), Polikarbonat (Polycarbonate) (PC), Akrilonitril bütadien stiren (Acrylonitrile butadiene styrene) (ABS), PoIiviniliden kIorür (PovainyIidene chIoride) (PVDC), Polibütilen Tereftalat (PBT), Polifenilen Sülfit(PPS), Syndiotactic Polystyrene (SPS), Polyether ether ketone (PEEK), Pokaetones (POK) gibi termoplastik matris malzeme çesitlerinden en az biri kullanilmaktadir. Elektriksel yalitkan olan poIimerIere iletkenlik özelligi saglanmasi için metal, metal tuzlari (Metal mineralleri) ve organometalik bilesikler ve karbon türevleri (grafit, grafen, karbon nanotüp, karbon fiber vb.) malzemeler ilave edilerek termoplastik tabanli kompozit malzeme reçetesi olusturulmustur. Termoplastik tabanli kompozit malzemenin üretiminde çift vidali ekstrüder kullanilmaktadir. Termoplastik kompozit malzemenin çift vidali ekstrüder ile üretimi sirasinda, metal ve/veya metal tuzu, organometalik bilesikler ve karbon türevi, birincil ikincil antioksidanlar, uyumlastirici yan besleyicilerden, eriyik haldeki termoplastik matris malzeme içerisine eklenmektedir. Bu eriyik malzeme extrüder önündeki kaliptan geçirilerek pelletizer yardimiyla kesilerek granül hale getirilmektedir. Bir ekstrüzyon isleminde yer alan ana mekanizmalar, besleme, eritme ve homojen karistirmadir. Vida uzunlugunun çapa orani (L/ D orani), çiktinin karistirilmasini ve homojenligini etkilemektedir. Ekstrüderden malzemenin çikis hizi vida devrine, kovan sicakligi, vida konfigürasyonuna ve eriyik viskozitesine baglidir. Bu parametreler dogrultusunda ekstrüzyon yöntemi ile termoplastik tabanli kompozit malzeme olarak %30 - 80 oraninda termoplastik malzeme kullanilmaktadir. Takviye ve/veya dolgu elemani olarak %3 - 30 oraninda metal ve/veya metal minerali, organometalik bilesikler ile %20 - 60 oraninda karbon türevleri malzeme kullanilmaktadir. Bu malzemeler ekstrüzyon islemi sonucu granül haline getirilmistir. Birincil olarak, granül hale getirilen termoplastik tabanli kompozit malzemeler 200um alti partikül boyutuna ögütülmektedir. Kullanilacak termoplastik malzemenin türüne göre ya sadece bir baglayici ile ya da ilave kimyasallar kullanilarak bakir levha üzerine homojen olarak sürülmesi ve iyi bir sekilde levhaya tutunmasi gerekmektedir. Ikincil pillerden olan Li-ion pillerde termoplastik tabanli kompozit malzemenin anot olarak kullanilmasi için gerçeklestirilen islem basamaklari asagida belirtilmistir; 0 Bakir levha üzerine termoplastik tabanli kompozit malzemenin tutunmasi için bakir levhaya yüzey islemi mekanik ve/veya kimyasal yollar ile uygulanmaktadir. . Termoplastik türüne göre yapilan islemde sadece yeteri kadar miktarda susuz organik bir baglayici ile termoplastik tabanli kompozit malzeme ekstrüzyon yöntemiyle otomatik degirmende homojen hale getirilip hazirlanip bakir kollektör üzerine islenmektedir. . Termoplastik türüne göre sadece baglayici yetmeyen malzemelere ek olarak da iletkenlik arttirici, kararlilik saglayici malzemelerin ekleme islemi yapildiktan sonra bir susuz organik baglayici yardimiyla ekstrüzyon yöntemiyle otomatik degirmende homojen hale getirilmektedir. Bu islem sonrasinda olusturulan termoplastik tabanli kompozit malzeme bakir kollektör üzerine islenmektedir. . Islenen bu anot malzemesi istenen pil türüne göre sekillendirilip pil üretim prosesine hazir hale getirilmektedir. o Ikincil olarak, ekstürüderden çikan ve granül haline getirilen malzeme ince film sekline getirilip sicak press ve/veya laminasyon prosesi ile bir baglayici katkisiyla bakir levha üzerine uygulanarak anot haline getirilip pil üretim prosesine hazir hale gelmektedir. . Prototip olarak anot malzemesi deneme islemleri yari-hücre dügme pil prosedürüne uygun sekilde denenmistir. Üretilen anot malzemesi bakir kollektör üzerine uygulanarak kurutulmasi saglanmaktadir. Kurutma islemi ardindan olusturulan elektrotlar preslenmektedir. Hazirlanan anotlar yari hücrelerin içine yerlestirilmek üzere inert Argon atmosferinde 30 dakika boyunca bekletilmektedir. Bu islem üretilen anot malzemesinin içindeki su ve oksijen miktarinin giderilmesi için gerekli olan en önemli asamadir. Daha sonra su ve oksijen uzaklastirilan anot malzemesi pil kapama islemi yapilarak yari-hücre dügme pil haline getirilmektedir. Bu çalismalarda üretilen prototip dügme pil CRZOXX tipi bir pildir. Üretilen CRZOXX tipi pil için çesitli ar-ge testleri gerçeklestirilmistir. Potansiyostat, elektrokimyasal hücre içerisinde bulunan Çalisma Elektrodu ve Referans Elektrot arasindaki potansiyel farkini kontrol eden elektronik cihazdir. Potansiyostat bu kontrolü hücreye elektrotlar üzerinden akim göndererek saglamaktadir. Potansiyostat cihazi ile anot malzemesi için voltammetrik tekniklerden biri olan döngüsel voltammetri, desarj kapasitesi ölçümleri, döngü sayisi testleri ve empedans ölçümleri yapilmistir. (Sekil - 1 ve Sekil - 2) Bu gelistirilen termoplastik tabanli kompozit malzeme ayni zamanda her çesit uygulama alaninda (otomotiv, sanayi, uydu, endüstri vs.) farkli pil tiplerinde kullanilabilmektedir. TR TR TR TR

Claims (2)

ISTEMLER

1. Ikincil pillerde kullanimina yönelik anot olup, karakterize edici özelligi;

2. Ikincil ve/veya metal minerali ve organometalik bilesikler ile %20 - 60 oraninda karbon türevleri malzemeden üretilmis kompozit malzeme . Bahsedilen kompozit malzemenin üzerine uygulanarak prenslendigi bakir türevi kollektör içermesidir. pillerde kullanimina yönelik anodun üretim yöntemi olup, karakterize edici özelligi; Bakir türevi kollektör üzerine kompozit malzemenin tutunmasi için bahsedilen bakir türevi kollektör yüzey islemi mekanik ve/veya kimyasal yollar ile uygulanmasi, . Termoplastik türüne göre yapilan islemde sadece yeteri kadar miktarda susuz organik bir baglayici ile kompozit malzeme ekstrüzyon yöntemiyle otomatik degirmende homojen hale getirilip hazirlanip bakir türevi kollektör üzerine islenmesi, Termoplastik türüne göre sadece baglayici yetmeyen malzemelere ek olarak kompozit malzeme, baglayici ya da iletkenlik arttirici, kararlilik saglayici malzemelerin ekleme islemi yapilmasindan sonra bir susuz organik baglayici yardimiyla degirmende homojen hale getirilen kompozit malzeme bakir türevi kollektör üzerine islenmesi, . Islenen bu anot malzemesi istenen pil türüne göre sekillendirilip pil üretim prosesine hazir hale getirilmesi, . Ikincil olarak, ekstürüderden çikan ve granül haline getirilen malzeme ince film sekline getirilip sicak press ve/veya laminasyon prosesi ile bir baglayici katkisiyla bakir levha üzerine uygulanarak anot haline getirilip pil üretim prosesine hazir hale gelmesi, Üretilen anot malzemesi bakir türevi kollektör üzerine uygulanarak kurutulmasi, . Kurutma islemi ardindan olusturulan elektrotlarin preslenmesi, . Hazirlanan anotlar yari hücrelerin içine yerlestirilmek üzere inert Argon atmosferinde 30 dakika boyunca bekletilerek su ve oksijenin uzaklastirilmasi ve i. Su ve oksijen anot malzemesi pil kapama islemi yapilarak yari-hücre pil haline getirilmesi islem basamaklarini içermesidir.