Yeni Anot Malzemesi, Pillerin Daha Güvenli ve Hızlı Şarj Edilmesini Sağlayabilir
Fotoğraf : Araştırmacılar Haodong Liu ve Ping Liu, pil kesesi hücrelerini imal etmek için kullanılan bir cihazın önünde duran, keşfettikleri düzensiz kaya tuzu anot materyalinden yapılmış pilleri tutuyorlar.
UC San Diego’daki bilim insanları, lityum iyon pillerin dakikalar içinde binlerce döngü boyunca güvenli bir şekilde yeniden şarj edilmesini sağlayan yeni bir anot malzemesi keşfettiler. Düzensiz bir kaya tuzu olarak bilinen yeni anot, sıradan mutfak sofra tuzuna benzer şekilde, ancak rastgele düzenlenmiş, bol miktarda bulunan lityum, vanadyum ve oksijen atomlarından oluşur. Elektrikli arabalar, elektrikli süpürgeler veya matkaplar gibi hem yüksek enerji yoğunluğunun hem de yüksek gücün istendiği ticari uygulamalar için umut vericidir.
Profesör Ping Liu ve Shyue Ping Ong’un laboratuvarlarında nano mühendisler tarafından ortaklaşa yürütülen çalışma, 2 Eylül’de Nature’da yayınlandı.
Şu anda, cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar ve elektrikli araçlar gibi öğelere güç sağlayan ticari olarak mevcut çoğu lityum iyon pillerde anot olarak iki malzeme kullanılmaktadır. En yaygın olanı, bir grafit anot, son derece yoğun bir enerji kaynağıdır- grafit anotlu bir lityum iyon pil, yeniden şarj edilmesine gerek kalmadan bir arabaya yüzlerce kilometre güç sağlayabilir. Bununla birlikte, bir grafit anodun çok hızlı şarj edilmesi, lityum metal kaplama adı verilen bir işlem nedeniyle yangın ve patlamalara neden olabilir. Daha güvenli bir alternatif olan lityum titanat anot, hızlı bir şekilde yeniden şarj edilebilir, ancak enerji yoğunluğunda önemli bir düşüşe neden olur, bu da pilin daha sık şarj edilmesi gerektiği anlamına gelir.
Bu yeni düzensiz kaya tuzu anotu – Li3V2O5 – önemli bir orta zemine sahiptir: kullanımı grafitten daha güvenlidir, ancak lityum titanattan en az %71 daha fazla enerjiye sahip bir pil sunar.
Profesör Ping Liu’nun laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı ve makalenin ilk yazarı olan Haodong, “Kapasite ve enerji grafitten biraz daha düşük olacak, ancak daha hızlı, daha güvenli ve daha uzun ömürlü. Çok daha düşük bir gerilime ve bu nedenle mevcut ticari hızlı şarj lityum-titanat anotlara göre çok daha gelişmiş enerji yoğunluğuna sahip” diye belirtti. “Böylece bu malzeme ile çok fazla enerji yoğunluğundan ödün vermeden hızlı şarj olan, uzun ömürlü, güvenli piller yapabiliyoruz.”
Araştırmacılar bu keşfi ticarileştirmek için Tyfast adında bir şirket kurdular. Li3V2O5 düzensiz kaya tuzunun özellikleri onu yeniden şarjın kolayca programlanabildiği cihazlarda kullanım için ideal hale getirdiğinden, şirketin ilk pazarları elektrikli otobüsler ve elektrikli aletler olacak.
Profesör Liu’nun laboratuvarındaki araştırmacılar, bu lityum-vanadyum oksit anot malzemesini geliştirmeye devam ederken, aynı zamanda ticari olarak uygun bir tam hücre geliştirmek için diğer pil bileşenlerini optimize etmeyi planlıyor.
Ping Liu, “Uzun süredir, pil topluluğu, güvenli ve hızlı şarj edilen lityum iyon pilleri etkinleştirmek için grafitin hemen üzerindeki bir potansiyelde çalışan bir anot malzemesi arıyor. Bu malzeme önemli bir bilgi ve uygulama boşluğunu dolduruyor” dedi. “Malzeme, günümüzün lityum iyon pil üretim sürecinde çözüm olabileceği için ticari potansiyeli bizi heyecanlandırıyor.”
Neden Bu Malzeme Deneniyor?
Araştırmacılar ilk olarak düzensiz kaya tuzunu altı yıl önce pil katodu olarak denediler. O zamandan beri, malzemeyi verimli bir katoda dönüştürmek için çok çalışma yapıldı. Haodong Liu, UC San Diego ekibinin malzemeyi bir önsezi temelinde bir anot olarak test etmeye karar verdiğini söyledi.
“İnsanlar onu katot olarak kullandıklarında malzemeyi 1.5 volta boşaltmak zorunda kalıyorlar” dedi. “Ancak katot malzemesinin yapısına 1.5 volt olarak baktığımızda, bu malzemenin daha fazla lityum iyonu barındırabilecek özel bir yapıya sahip olduğunu düşündük – bu, anot olarak çalışmak için daha da düşük gerilime gidebileceği anlamına geliyor. ”
Çalışmada ekip, düzensiz kaya tuzu anotlarının ortalama 0,6 V voltajda iki lityum iyonunu tersine çevrilebildiğini keşfetti – 0,1 V grafitten daha yüksek, bu da pilin daha güvenli olmasını sağlayan yüksek bir şarj hızında lityum metal kaplamayı ortadan kaldırdı. ancak lityum-titanatın lityumu birbirine kattığı ve dolayısıyla çok daha fazla enerji depoladığı 1.5 V’tan daha düşük.
Araştırmada ekip, bozuk kaya tuzu anotlarının ortalama 0,6 V voltajda iki lityum iyonunu tersine çevrilebildiğini keşfetti – 0,1 V grafitten daha yüksek, bu da pilin daha güvenli olmasını sağlayan yüksek şarj hızında lityum metal kaplamayı ortadan kaldırıyor ancak lityum titanatın lityum eklediği ve dolayısıyla çok daha fazla enerji depoladığı 1.5 V’tan daha düşük.
Araştırmacılar, Li3V2O5 anodunun ihmal edilebilir kapasite azalması ile 6.000’den fazla döngü boyunca çevrilebileceğini ve enerjiyi hızla şarj edip boşaltarak 20 saniyede kapasitesinin yüzde 40’ından fazlasını sunabildiğini gösterdi. Düşük voltaj ve yüksek enerji aktarım hızı, düşük enerji engellerine sahip benzersiz bir yeniden dağıtıcı lityum ekleme mekanizmasından kaynaklanmaktadır.
Profesör Shyue Ping Ong’un Materyal Sanal Laboratuvarı’ndan doktora sonrası araştırmacı Zhuoying Zhu, düzensiz kaya tuzu Li3V2O5 anodunun neden bu kadar iyi çalıştığını anlamak için teorik hesaplamalar yaptı.
Zhuoying Zhu, “Li3V2O5’in diğer elektrot malzemelerinden farklı bir şarj mekanizması ile çalıştığını keşfettik. Lityum iyonları, hem düşük voltaj hem de hızlı lityum difüzyonu ile sonuçlanacak şekilde kendilerini yeniden düzenler,” dedi.
Ong, “Benzer bir mekanizma üzerinde çalışan keşfedilmeyi bekleyen başka elektrot malzemeleri olduğuna inanıyoruz,” diye ekledi.
UC San Diego’daki deneysel çalışmalar UC San Diego başlangıç fonundan Ping Liu’ya verilen ödüllerle finanse edilirken, teorik çalışmalar Enerji Bakanlığı ve Ulusal Bilim Vakfı’nın Veri Altyapısı Yapı Taşları (DIBBS) Yerel Spektroskopi Veri Altyapısı programı tarafından finanse edildi ve Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) kapsamında sağlanan San Diego Supercomputer Center’daki kaynakları kullanıldı.
Kaynakça : sciencedaily.com
