Yeni Nesil Lityum Pillerde Kısa Devre Nasıl Önlenir?
Yeni bulgular, yüksek güçlü katı elektrolit lityum pillerin potansiyelini ortaya çıkarmaya yardımcı olabilir.
Araştırmacılar belirli bir alana veya ağırlığa daha fazla miktarda güç ve enerji sığdırmaya çalışarak batarya tasarımının sınırlarını zorlarken, üzerinde çalışılan en umut verici teknolojilerden biri, tipik sıvı elektrolitler yerine iki elektrot arasında katı bir elektrolit malzeme kullanılan lityum iyon pillerdir.
Ancak bu tür piller, elektrotlardan birinde dendrit adı verilen dal benzeri metal uzantıların oluşması ve sonunda pil hücresinin kısa devre yapması eğilimiyle karşılaşmıştır. Günümüzde, MIT’de ve başka yerlerde bulunan araştırmacılar, dendrit oluşumunu önlemenin bir yolunu buldular. Bu durum, yeni tip yüksek güçlü pillerin potansiyelini açığa çıkarmakta.
Sonuçlar, Nature Energy dergisinde, MIT lisansüstü öğrencisi Richard Park, Prof. Dr. Yet-Ming Chiang, Prof. Dr. Craig Carter ve MIT, Texas A&M Üniversitesi, Brown Üniversitesi ve Carnegie Mellon Üniversitesi’nden yedi araştırmacı tarafından yazılan bir makale ile bildirildi.
Chiang’in açıklamalarına göre, katı hal pilleri iki nedenden dolayı uzun süredir aranan bir teknoloji olmuştur: güvenlik ve enerji yoğunluğu.
“İlginç olan şu ki enerji yoğunluklarına ulaşabilmenin tek yolu metal bir elektrot kullanmaktır. Metal bir elektrodu sıvı bir elektrolit ile birleştirmek ve yine de iyi bir enerji yoğunluğu elde etmek mümkün olsa bile bu durum katı bir elektrolit ile aynı güvenlik avantajını sağlamaz.”
“Katı hal pilleri yalnızca metal elektrotlarla birlikte bir anlam ifade etmektedir, ancak bu tür pilleri geliştirme girişimleri dendritlerin büyümesi nedeniyle engellenmiştir. Dendritler nihayetinde iki elektrot plakası arasındaki boşluğu doldurur ve kısa devre yaparak pildeki hücreyi zayıflatır veya etkisiz hale getirir.”
Akım akışının daha yüksek olması hızlı şarj sağlamak için genellikle istenilen bir durumdur, ancak bu durumun dendritlerin daha hızlı oluşmasına sebep olduğu bilinmektedir. Şimdiye kadar deneysel katı hal pillerinden elde edilen mevcut yoğunluklar, ticari şarj edilebilir bir pil için gerekenden çok daha azdı. Ancak Chiang, bu tür hücrelerin deneysel versiyonlarında depolanabilecek enerji miktarı, geleneksel lityum iyon pillerin neredeyse iki katı olduğundan takip edilmeye değer olduğunu söylüyor.
Ekip, katı ve sıvı haller arasında bir uzlaşma sağlayarak dendrit problemini çözdü. Katı elektrolit malzeme ile temas halinde olan yarı katı bir elektrot yapıldı. Yarı katı elektrot, dendrit oluşumu için ilk adım olan küçük çatlaklara yol açabilecek kırılgan katı bir yüzeyden ziyade, arayüzde adeta kendi kendini onaran bir yüzey olmasını sağladı.
Bu fikir için, elektrotlardan birinin veya her ikisinin erimiş metalden oluştuğu deneysel yüksek sıcaklık pillerinden ilham alındı. Makalenin ilk yazarı Park’a göre, “Erimiş metal pillerin yüzlerce derece sıcaklıkları taşınabilir aygıtlar için asla pratik olmayacaktı, ancak çalışma, sıvı bir arayüzün dendrit oluşumu olmadan yüksek akım yoğunluğu sağlayabileceğini gösterdi. Buradaki motivasyon, metal elektrotun kendi kendini onaran bir bileşeni olarak hizmet edebilecek sıvı fazı eklemek için, özenle seçilmiş alaşımlar temel alınarak elektrotları geliştirmekti.”
“Malzeme sıvıdan daha katıdır, ancak diş hekimlerinin bir boşluğu doldurmak için kullandıkları amalgama benzer, katı metaldir ancak yine de akabilir ve şekillendirilebilir. Pilin çalıştığı normal sıcaklıklarda, hem katı faz hem de sıvı fazın bulunduğu bir rejimde kalır, bu durumda sodyum ve potasyum karışımından oluşmuş olur.”
Chiang, “Ekip, herhangi bir dendrit oluşturmadan, sistemi katı lityuma kıyasla 20 kat daha fazla akımda çalıştırmanın mümkün olduğunu gösterdi. Bir sonraki adım, bu performansı gerçek bir lityum içeren elektrotla tekrarlamaktı.” dedi.
Ekip, katı pillerinin ikinci bir versiyonunda, katı lityum elektrot ile katı elektrolit arasına çok ince bir tabaka şeklinde sıvı sodyum-potasyum alaşımı yerleştirdi. Böylece bu yaklaşımın dendrit probleminin üstesinden gelebileceğini ve daha fazla araştırma için alternatif bir yaklaşım olabileceğini gösterdiler.
Chiang, yeni yaklaşımların, dünya genelindeki araştırmacılar tarafından araştırılan katı hal lityum pillerin birçok farklı versiyonuna kolaylıkla uyarlanabileceğini ve ekibin bir sonraki adımının bu sistemin çeşitli pil yapılarına uygulanabilirliğini göstermek olacağını söylüyor.
Carnegie Mellon Üniversitesi’nde makine mühendisliği profesörü ve makalenin ortak yazarı Prof. Dr. Viswanathan, “Bu yaklaşımı gerçekten herhangi bir katı hal lityum iyon pile çevirebileceğimizi düşünüyoruz. Elde taşınır cihazlardan elektrikli araçlara ve hatta elektrikli uçaklara kadar çok çeşitli uygulamalar için hücre geliştirmede hemen kullanılabileceğini düşünüyoruz.”
Maryland Üniversitesi’nde kimya ve biyomoleküler mühendisliği doçenti Paul Albertus. “Katı elektrolit ayırıcı boyunca oluşan metal penetrasyonu, yüksek enerji yoğunluklu pillerin karşılaştığı önemli zorluklardan birisidir ve bu zamana kadar metalin nüfuz ettiği ayırıcı malzemenin özelliklerine çok dikkat çekilmiştir.” dedi. Yeni çalışmanın metal elektrotun özelliklerine odaklandığına dikkat çekerek, “Araştırma hem metal penetrasyonunu anlamak için bilimsel öncelikler belirlemek hem de bu önemli arıza durumunu hafifletmeye yardımcı olacak yenilikler geliştirmek açısından önemlidir.” diye ekledi.
Ekibe ayrıca MIT’den Christopher Eschler, Cole Fincher ve Andres Badel; Carnegie Mellon Üniversitesi’nden Pinwen Guan; ve Brown Üniversitesi’nden Brian Sheldon de dahildi. Yapılan çalışma ABD Enerji Bakanlığı, Ulusal Bilim Vakfı ve MIT-Skoltech Yeni Nesil Programı tarafından desteklendi.
Kaynak : mit.edu
