Hızlı Şarj Olan Pillerde İletken Elektrotlar
Cep telefonunuzu birkaç saniye içinde tamamen şarj etmeyi hayal edebiliyor musunuz? Drexel Üniversitesi Mühendislik Fakültesi’ndeki araştırmacılar bu konuyu Nature Energy dergisinde yayınlanan yeni bir pil elektrotu tasarımını ortaya koydukları son çalışmaları ile gerçekleştirmek için büyük bir adım attılar.
Distinguished Üniversitesi ve Drexel Mühendislik Fakültesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’ nde profesör Yury Gogotsi tarafından yönetilen ekip, oldukça iletken MXene adı verilen iki boyutlu malzemeden yeni bir elektrot tasarladı. Tasarımları ile, enerji depolama teknolojisinin ağır tanker kamyonu olarak görülen piller gibi, acil enerji sağlamak için -çoğunlukla pil yedeklemesi veya kamera yanıp sönmeleri gibi olaylar için hızlı enerji patlamalarında- kullanılan süperkapasitörler kadar hızlı enerji depolama cihazları yapılabilir.
Gogotsi, “Bu makale, pillerde ve sahte kapasitörlerde kullanılan kimyasal şarj depolamasının her zaman süperkapasitörler olarak bilinen elektrikli çift katmanlı kapasitörlerde kullanılan fiziksel depolamadan çok daha yavaş olduğu şeklinde yaygın olarak kabul görmüş dogmalara ters düşüyor” dedi. “İnce MXene elektrotlarının onlarca milisaniyelik bir süreyle şarj edildiğini gösteriyoruz. Bu, MXene’nin çok yüksek elektronik iletkenliği ile sağlanır. Bu, saniyeler içinde şarj edilip deşarj edilebilen ultra hızlı enerji depolama cihazlarının geliştirilmesine yol açıyor, ancak bilinen süperkapasitörlerden çok daha fazla enerji depoluyor “dedi.
Daha hızlı şarj olan enerji depolama cihazlarının temeli elektrot tasarımındadır. Elektrotlar, pillerin şarj esnasında enerji depolandığı ve cihazlarımızı çalıştırmak için bu enerjinin harcandığı temel bileşenleridir. Bu nedenle, bu bileşenler için ideal tasarım pillerin hızla şarj olmasını ve daha fazla enerji depolamasını sağlayacak şekilde olmalıdır.
Daha fazla enerji depolamak için malzemeler pil içine yerleştirilmelidir. Pillerdeki elektrot malzemeleri yük depolanması için bağlantı noktaları sunar. Elektrokimyada, “redoks aktif bölgeleri” olarak adlandırılan bu bağlantı noktaları, her iyon iletildiğinde elektrik yükünün tutulduğu yerlerdir. Bu nedenle elektrot malzemesi daha fazla bağlantı noktasına sahipse, daha fazla enerji depolayabilir.
Fransa’daki Université Paul Sabatier’den ortak çalışan Patrice Simon ve Zifeng Lin, bir pilin hacmine göre fazla şarj olmasını sağlayan, daha fazla redoks aktif bölgelere sahip hidrojel bir elektrot tasarladı. “Volumetrik performans” olarak adlandırılan bu kapasite ölçümü, herhangi bir enerji depolama cihazının kullanılabilirliğini değerlendirmek için kullanılan önemli bir ölçüdür.
Doktor Maria Lukatskaya, Mühendislik Fakültesi’nde seçkin bir profesör olan Michel Barsoum’un liderliğindeki Drexel’in MAX / MXene Araştırma Grubu’nda lisansüstü öğrencisi Sankalp Kota ve Doktor Menequiang Zhao’ nun da dahil olduğu Drexel liderliğindeki ekip, hidrojel elektrot bağlantı noktalarını iyon trağinde daha cazip hale getirmek için MXene maddesindeki her bir redoks aktif alanına iyonların kolayca erişebilmesi adına, açık makro gözenekli, -birçok küçük açıklıklı- elektrot yapıları tasarladı.
A.J. Drexel Nanomalzemeler Enstitüsü’nün araştırmacısı olan, makalenin ilk yazarı Lukatskaya “Geleneksel pillerde ve süperkapasitörlerde, iyonlar yalnızca her şeyi yavaşlatmakla kalmayıp, aynı zamanda çok az iyonun hızlı bir şekilde şarj ile hedeflerine ulaştığı bir duruma neden oluyor’’ dedi. “İdeal elektrot yapısı, tek şeritli yolları katetmek yerine çok şeritli, hızlı ‘otoyollar’ gibi bağlantı noktalarına hareket eden iyonlara izin verecek şekilde olmalıdır. Bizim makro-gözenekli elektrot tasarımı birkaç saniye veya daha az sürecek hızlı şarjı mümkün kılacak bu amaca ulaşmayı hedeflemektedir.’’
MXene’yi elektrot tasarımı için materyal olarak kullanmanın genel yararı, iletkenliğidir. Elektrik kablolarında genellikle alüminyum ve bakır gibi elektrik akımının hızlı bir şekilde iletimini sağlayan malzemeler kullanılır. MXene tıpkı metaller gibi iletkendir. Bu yüzden yalnızca iyonları bir dizi depolama bağlantı noktasına açık bir şekilde aktarmakla kalmaz, aynı zamanda oradaki elektronları karşılamak için çok hızlı bir şekilde hareket edebilirler. İsrail’ de Bar-Ilan Üniversitesi’nden araştırmacı Doktor Mikhael Levi ve Netanel Shpigel, Drexel grubunun MXene elektrotlarındaki iyonların erişebileceği bağlantı noktalarının sayısını en üst düzeye çıkarmasına yardımcı oldu.
2011’de Drexel’in Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’ndeki araştırmacılar tarafından keşfedilen MXene materyalinin pil elektrotlarında kullanımı sadece bir dizi gelişmedeki en yeni aşamadır. O zamandan beri araştırmacılar, onları enerji depolamadan elektromanyetik radyasyon koruması ve su filtrelemesine kadar çeşitli uygulamalarda test etmektedirler. Bu son gelişme özellikle önemlidir, çünkü elektrikli araç pazarının genişlemesini engelleyen ve taşınabilir cihazlar için gelecekte oluşacak temel sorunlardan birine değinmektedir.
Gogotsi, “Pil elektrotları olarak düşük boyutlu ve elektronik olarak iletken malzemeler kullanmaya başlarsak, piller çok daha hızlı çalışabilir hale gelecektir. Sonuçta, bu gerçeğin farkına varmak, araba, dizüstü bilgisayar ve cep telefonu pilleri için çok daha yüksek oranda- saatler değil, saniyeler veya dakikalar- şarj etme olanağı sağlayacaktır” dedi.
Kaynak: sciencedaily.com
