Development of Metal Doped Fe2O3-Cr2O3 Composite Powders Decorated with Al2O3 from Domestic Fe-Cr Alloys as Anode Materials for Lithium-Ion Batteries


Karahan B. D. P. (Executive), Gürmen S.

TUBITAK Project, 2019 - 2021

  • Project Type: TUBITAK Project
  • Begin Date: March 2019
  • End Date: September 2021

Project Abstract

Recently, the global economic instability has led the countries to support production and technology development by using their own resources.As a developing country,Turkey has announced that supports on researches using national resources to produce high value added products will be increased.In this context,the production and storage of green energy by national resources become one of the priority subject that is open for research.For this reason,this project related to the development of Al2O3 decorated,metal doped Fe2O3-Cr2O3 composite powders (from domestic Fe-Cr alloys) as anodes for lithium ion batteries(LIBs) will be important for both economically and academically.

The hypothesis is to produce LIB anode with high electrochemical performance by using domestic Fe-Cr alloys.In this way, I wish to deepen my researches on LIBs.Unlike the thin film technology that I used in my dissertation,in this project,to develop new electrodes I am planning to use hydrometallurgy and powdermetallurgy,which is expected to make a new opening in my academic career.

In the context of the study grinding,leaching,calcination and mechanochemistry are used to fabricate composite powders as semi-infinite product,which is used to form slurry to be laminated for the fabrication of anode,as final product.Both semi- and end-products will be characterized by morphological,chemical,structural and electrochemical techniques.

The original aspect of the work is to fabricate iron oxide and chromium oxide by a domestic ferrochrome alloy via an ecofriendly process.Then the powders will be ground with Al powders,for the first time in literature,to fabricate Al2O3 decorated, metal doped Fe2O3-Cr2O3 composites anodes for LIBs.

The objective is to support the long-term strengthening of the national economy through the production composite anode by using domestic resources;to enrich the country's intellectual capital with the students to be trained during the Project;to contribute literature with the publications and to represent an example for future to promote studies about designing electrodes from other intermediate/end products or wastes produced in our country.

The goal is to design an ecofriendly method to fabricate a high value product through an already produced domestic good by our own resources.The latter would be characterized and evaluated as anodes in LIBs, then optimized to get a capacity higher than372mAh/g.The results will be shared as thesis/article/papers.

The proposed project will make a significant contribution to my career: With this Project,1)I would like to advise a master thesis and train students about battery technology,2)reach international partners by publishing at least 4articles/proceedings,3)apply patents if results are promising,4)establish inter-university collaborations that support the formation of clusters which may apply to national/international project calls with larger budgets in future.

Thus, the project is considered to be important for young people who are open to new information, researchers that work on battery, and entrepreneurs who are willing to invest on high value added products’ fabrication.

 

Keywords: powder metallurgy, hydrometallurgy, composite materials, anode materials, lithium ion batteries, ferro alloysProjenin hipotezi; yerli Fe-Cr alaşımlarını başlangıç malzemesi olarak kullanarak LİB için yüksek elektrokimyasal performans sergileyen kompozit anot malzemesi üretmektir. Bu şekilde LİB üzerine yapmış olduğum çalışmalarımı derinleştirmeyi arzulamaktayım. Bu projede doktora süresince kullandığım ince film teknolojisinden farklı olarak toz metalurjisi ve hidro metalurjisi yöntemleri kullanarak LİB için elektrot geliştirerek akademik kariyerimde açılım yapmayı planlamaktayım.

Projede öğütme, liç, kalsinasyon ve mekanokimyasal yöntemler kullanılarak kompozit toz yarı ürün olarak üretilecek ve bu yarı üründen çamur oluşturma, laminasyon ve kurutma ile anot malzemesi son ürün olarak elde edilecektir.Projede yarı ürün ve son ürünün uygun morfolojik, kimyasal, yapısal ve elektrokimyasal teknikler ile karakterize edilmesi de sağlanacaktır. 

Projenin özgün yönü; yerli Fe-Cr alaşımından demir oksiti ve krom oksiti çevre dostu yöntemle ürettikten sonra, mekanokimyasal prosesle tozları alüminyumla öğütmek suretiyle, literatürde ilk defa, Al2O3 ile dekore edilmiş metal katkılı Fe2O3-Cr2O3 kompozit tozlarının LİB’lar için anot malzemesi olarak üretilmesidir.

Projenin amacı; katma değeri yüksek bir ürün olarak kompozit anot malzemesinin yalnızca yerli kaynaklar kullanarak üretimi ile ulusal ekonominin uzun vaadede güçlenmesine destek verilmesi;proje süresince yetiştirilecek öğrenciler sayesinde ülkenin entelektüel sermayesinin zenginleştirilmesi;yapılacak yayınlarla literatüre katkı verilmesi ve gelecek dönemlerde ülkemizde üretilen diğer ara/nihai ürün ve atıkların elektrot malzemesi olarak değerlendirilmesi için yapılacak çalışmalara örnek teşkil etmesidir.

Projenin hedefi; hali hazırda üretilen bir ürünün ekonomik anlamda daha yüksek katma değer getirecek uygulamada değerlendirilmesi için çevre dostu proses tasarlayarak (günümüzde kullanılan grafit elektrottan) 372 mAsa/g’dan daha yüksek kapasite sergileyecek özellikte anot malzemesinin öz kaynaklarımızla üretilmesi, üretim parametrelerinin optimize ve ürünlerin karakterize edilmesi ile sonuçların tez/makale/bildiri olarak literatürle paylaşılmasıdır.

Önerilen projenin kariyer gelişimime önemli katkısı olmasını beklemekteyim:1.Bu proje ile 1 yüksek lisans öğrencisine danışmanlık yaparak batarya konusunda uzman öğrenci yetiştirme, 2.Proje çıktılarını en az 4 bildiri/makale olarak uluslarası platformlarda paylaşarak iş birliği yapılabilinecek uluslararası araştırmacılara ulaşma, 3.Sonuçların başarılı ve umut vaadedici bulunması durumunda entelektüel varlık başvurusu (patent) gerçekleştirme,4.Üniversiteler arası iş birliği kurarak gelecekte daha yüksek bütçeli ulusal/uluslararası proje çağrılarına cevap verecek kümelenmelerin oluşumuna destek verme fırsatlarıını elde etmeyi arzulamaktayım.

Önerilen proje sahip olduğu ayrıcalıkları sebebiyle yeni bilgilere açık olan gençler, batarya üzerinde çalışan araştırmacılar ve katma değeri yüksek ürün üretimi için yatırım yapmak isteyen girişimciler için önem arz ettiği düşünülmektedir.

 

Anahtar kelime: toz metalürjisi, hidrometalurji, kompozit malzemeler, anot malzemeleri, lityum iyon bataryalar, ferro alaşımlar