Nano-boyutlu Mg-bdc Metal Organik Kafes Yapı İçeren Poli(etilen Oksit) Nanokompozit Elektrolitlerin Sentezi ve Özellikleri

Abstract

Lityum (Li) pil teknolojisindeki en son gelişmelere bakıldığında, geleneksel sıvı elektrolitin yerini katı polimer elektrolitler (SPE) almaya başlamıştır. Bu nedenle, SPE'lerin modern enerji teknolojisinde önemli bir yeri vardır. Bu tez çalışmasında, nano boyutlu magnezyum benzen dikarboksilik asit metal organik kafes yapı (MgBDC MOF), metal tuzlara ihtiyaç duymadan elektrokimyasal (EC) yöntem ile başarıyla sentezlenmiştir. Nano boyuttaki MgBDC'nin oluşumu yüksek derecede kristal fazı ve karakteristik yansıma pikleri ile X-ışını kırınımı (XRD) sonuçlarına göre doğrulanmıştır. Nanoboyutlu MgBDC kafes yapıların büyüklüğü-küresel şekli-pürüzsüz yapısı, bölgesel haritalama-spektrum analizi ve yüzey topografisi sırasıyla taramalı elektron mikroskobu (SEM), taramalı tünel elektron mikroskobu (STEM), enerji dağıtıcı x-ışını spektroskopisi (EDS) ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile belirlenmiştir. Nanoyapıların termal özellikleri, kimyasal yapıları ve yüzey alanı (m2/g) sırasıyla termogravimetrik analiz (TGA), zayıflatılmış toplam reflektans fourier dönüşümlü-kızıl ötesi (ATR FT-IR) spektroskopisi ve brunauer emmett teller (BET) analizleri ile belirlenmiştir. MgBDC MOF'tan oluşan nanokompozit polimer elektrolitler (NCPE'ler) çözelti döküm yöntemiyle başarıyla hazırlanmıştır. Polietilen oksit-lityum bis (triflorometan) sülfonimid (PEO-LiTFSI) elektrolit matrisi içerisinde nanoboyutlu MgBDC MOF'un homojen dağılımı ve kimyasal elementlerinin varlığı SEM/EDS ile incelenmiştir. XRD ve diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) verilerine dayanarak, nano boyutlu MgBDC MOF'un PEO-LiTFSI tuz sistemine dahil edilmesine bağlı olarak PEO'nun yüzde kristallik derecesi ve kristal faz yapısını %70'ten yaklaşık %20'ye düşürmüştür. Ayrıca polimer elektrolitlerde kristal yapı oluşumları polarize optik mikroskopi (POM) ile belirlenmiştir. Lityum tuzundaki katyonlar ile PEO zincirlerindeki eter-oksijen molekülleri arasındaki etkileşimler ATR FT-IR spektroskopi çalışmaları ile doğrulanmıştır. TGA sonuçlarına göre, NCPE'lerin termal dayanımı iyileştirilmiştir. NCPE membranların iyonik iletkenlikleri, çeşitli sıcaklık aralıklarında elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) kullanılarak ölçülmüştür. PEO esaslı % 5 MgBDC MOF ve % 20 LiTFSI içeren NCPE' nin iyonik iletkenliği diğerlerine kıyasla olağanüstü şekilde iyileştirilmiştir ve iyonik iletkenlik değeri 3.2610–4 S/cm bulunmuştur. Bu sonuçlara göre; MgBDC MOF içeren katı NCPE'ler; yüksek sıcaklığa dayanıklı katı polimer elektrolit lityum pillerin üretiminde nano ölçekli MOF içermesi açısından nanokompozit polimer elektrolitler arasında yeni bir aday olarak yerini alabilir. Anahtar Kelimeler: Lityum pil, Katı polimer elektrolit, MOF, İyonik iletkenlik.

Looking at the latest developments in lithium (Li) battery technology, solid polymer electrolytes (SPE) have begun to substitute the traditional liquid electrolyte. So, SPEs have an important place in modern energy technology. In this thesis, nanosized magnesium benzene dicarboxylic acid metal-organic frameworks (MgBDC MOFs) were successfully synthesized via the electrochemical (EC) method without metal salts. The highly crystalline phase and the characteristic reflection peaks of nanosized MgBDC MOFs were confirmed based on x-ray diffraction (XRD) results. Their dimensions-spherical shape-smooth structure, regional-mapping-spectrum analysis, and surface topography of nanosized MgBDC MOFs were determined by scanning electron microscopy (SEM), scanning tunneling electron microscopy (STEM), energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS), and atomic force microscopy (AFM) techniques, respectively. Thermogravimetric analysis (TGA), attenuated total reflectance fourier transform-infrared spectroscopy (ATR FT-IR), and brunauer–emmett–teller (BET) analyzes were performed to investigate the thermal stability-degradation, organic bond structures, and surface area (m2/g) of them, respectively. Nanocomposite polymer electrolytes (NCPEs) consisting of MgBDC MOF were successfully produced by using the method of solution casting. Homogeneous distribution and of nanosized MgBDC MOF structures and the presence of chemical elements within polyethylene oxide-lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PEO-LiTFSI) electrolyte matrix was examined by SEM/EDS. Based on XRD and differential scanning calorimetry (DSC) data, the crystal phase structure and the percent crystallinity of PEO decreased dramatically from 70% to ~20% because of the combination of nanosized MgBDC MOF to PEO-LiTFSI salt system. In addition, crystal formations of polymer electrolytes were researched by polarized optical microscopy (POM) analysis. The interactions between cations in the lithium salt and the ether-oxygen molecules in the PEO chains were confirmed with the help of the ATR FT-IR spectroscopy device. Based on TGA results, the thermal stability of NCPEs improved. The ionic conductivities of NCPEs were measured using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis in various temperature ranges. Ionic conductivity of PEO-based NCPE containing 5 wt. % MgBDC MOF and 20 wt. % LiTFSI was outstandingly improved in comparison to the other samples and ionic conductivity value was found to be 3.2610–4 S/cm. According to these results, MgBDC MOF-based solid NCPEs can take their place as a new candidate among nanocomposite polymer electrolytes in terms of containing nanoscale MOF in the production of solid polymer electrolyte lithium batteries that are resistant to high temperature and safe. Key Words: Lithium battery, Solid polymer electrolytes, MOFs, Ionic conductivity.