Elektrikli Araçlar için Lityum-Metal Pil Kullanımı Araştırıldı

28 Haziran’da Nature Energy dergisinde yayınlanan habere göre araştırmacılar, gelecek vaat eden bir elektrikli araç pilinin ömrünü rekor düzeye çıkardı. Bu gelişme, gelecekteki elektrikli araçlar için daha hafif, daha ucuz ve uzun ömürlü olma hedefine giden önemli bir adım.

Bu piller iklim değişikliğinin etkilerini azaltmada önemli bir adım olarak görülmektedir. Bu sebeple bilim insanları tarafından yoğun araştırmalara tabi tutulmaktadırlar.

Ufukta görünen bir çözüm ise elektrikli araçlar için lityum-metal pilleridir. Bu piller, yaygın olarak kullanılan lityum-iyon pillerine göre 2 kat daha fazla enerji tutabilirler, ayrıca daha hafiftirler. Bu da daha hafif ve tek şarjla daha uzun mesafe gidebilecek elektrikli araçlar demek! Ancak laboratuvardaki lityum metal pillerin ömrü şu anda lityum iyon pillerin yalnızca küçük bir kısmı kadar.

Şimdilerde, ABD Enerji Bakanlığı’nın Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı’ndaki bir grup bilim insanı, bildirilen diğer lityum metal pillerinden çok daha uzun çalışabilen, 600 çevrim yapabilen, bir lityum-metal pil geliştirdi. Bu da pilin 600 kere şarj edilebileceği anlamına gelir.

Her ne kadar bu, lityum-metal pilleri için önemli bir adım olsa da lityum-metal teknolojisi henüz araçlarda kullanıma hazır bir teknoloji değil. Günümüzde elektrikli araçlarda kullanılan lityum-iyon piller daha az enerji tutmasına karşın daha uzun ömre sahiptir. Bu piller, genellikle en az 1000 çevrim yapabilirler. Ancak araçların, etkili bir lityum-metal pille olduğu kadar uzun gidemeyeceği de biliniyor.

Yeni araştırma, şu anda kullanılanlardan daha hafif, daha enerji yoğun ve daha ucuz elektrikli araç pilleri geliştirmek hedefiyle PNNL tarafından yönetilen DOE’nin Battery500 Konsorsiyumu için yapıldı. PNNL, partner kurumlardan gelen en son gelişmeleri yüksek enerjili pouch (kese) hücreleri olarak bilinen cihazlara entegre etmek ve gerçekçi koşullar altında gelişmiş performans sergilemekten sorumludur.

Lityum Metal: İnce Lityum Şeritleri Daha Uzun Kullanım Ömrü Sağlıyor

PNNL ekibi, ilginç bir yaklaşımla pilin ömrünü uzatmanın bir yolunu buldu. Ekip, daha fazla lityum içeren anotlar kullanmak yerine, insan saçından çok daha ince olan yalnızca 20 mikron genişliğinde lityum şeritleri kullandı.

Battery500 Konsorsiyumu’nun yöneticisi Jun Liu ile birlikte makalenin yazarlarından biri olan Jie Xiao, “Birçok insan daha kalın lityumun, pilin daha uzun süre çalışmasını sağlayacağını düşündü.” dedi. “Ancak bu her zaman için doğru bir yaklaşım değil. Hücrenin enerjisine ve tasarımına bağlı olarak her bir lityum-metal pil için optimum bir kalınlık vardır.”

Battery500 ekibi tarafından geliştirilen lityum-metal pilin enerji yoğunluğu kilogram başına 350 watt-saat (Wh/kg) olarak bildirildi- çok yüksek bir değer ancak benzeri görülmemiş değil. Bu çalışmanın önemi esas olarak pilin ömrü ile ilgili. Sonuçlara göre, 600 çevrimden sonra pil, ilk kapasitesinin yüzde 76’sını korudu.

Sadece dört yıl önce, deneysel bir lityum-metal pil yalnızca 50 çevrim yapabiliyordu. Yapılan çalışmalar sonucunda bu sayı hızla arttı; iki yıl önce PNNL ekibi 200 çevrime ve şimdi de 600 çevrime ulaştı.

Lityum Metal: Kalınlık Neden Önemlidir?

Ekibin daha ince lityum şeritleri deneme kararı, Nature Energy makalesinde açıklandığı gibi anotun moleküler dinamiklerinin kavranmasına dayanıyordu.

Bilim insanları, daha kalın şeritlerin doğrudan pil arızasına yol açtığını buldular. Bu arızanın nedeni ise katı elektrolit ara fazı veya SEI olarak bilinen anot üzerindeki bir film etrafında gerçekleşen karmaşık reaksiyonlar olarak belirtildi. SEI, lityum ve elektrolit arasındaki yan reaksiyonların ara ürünüdür. Ayrıca, belirli moleküllerin anottan elektrolite girip tekrar geri dönmesine izin verirken diğer molekülleri uzak tutarak önemli bir kapı bekçisi görevi görür. Etkili bir şekilde çalışan bir SEI, belirli lityum iyonlarının geçmesine izin vermekte, pil performansını azaltan ve hücre arızasını hızlandıran istenmeyen kimyasal reaksiyonları ise sınırlamaktadır. Araştırmacıların temel amacı, elektrolit ve lityum-metal arasındaki istenmeyen yan reaksiyonları azaltmaktır.

Ekip, daha ince lityum şeritlerin etkili çalışan bir SEI oluşturmaya daha yatkın olduğunu buldu. Araştırmacılar makalelerinde “ıslak SEI” ve “kuru SEI” terimlerini kullanmaktalar. Islak SEI, sıvı elektrolit ile anot arasındaki teması koruyarak önemli elektrokimyasal reaksiyonları mümkün kılar. Ancak kuru versiyonda sıvı elektrolit, lityumun tamamına ulaşmaz. Basitçe, lityum şeritleri daha kalın olduğu için elektrolitin lityumun daha derin ceplerine akması gerekir ve bunu yaparken lityumun diğer kısımlarını kuru bırakır. Bu, önemli reaksiyonların oluşmasını durdurur, gerekli elektrokimyasal reaksiyonları engeller ve doğrudan pilin arızasına sebep olur.

Bu, özellikle mevcut elektrolit miktarının, deneysel düğme pillerde kullanılandan 20 ila 30 kat daha az olduğu kese hücreleri gibi gerçekçi piller göz önüne alındığında önemli bir konudur.

Her kullanımdan sonra iyice temizlenmediği takdirde, kızartma tavasının nasıl yavaş yavaş bir yağ tabakası oluşturduğunu düşünün. Zamanla, katman oluşur ve bir bariyer görevi görür, enerji akışını azaltır ve yüzeyi daha az etkili hale getirir. Aynı şekilde, istenmeyen, kuru bir SEI katmanı, bir pilin içinde ihtiyaç duyulan enerjinin etkin bir şekilde aktarılmasını engeller.

Battery500 Sayesinde İlerleme

Battery500 sayesinde, lityum-metal pillerde önemli ölçüde gelişme olmuştur. Amaç, uzun ömürlü, güvenli ve uygun fiyatlı bir pilde paketlenmiş enerji miktarını artırmaktır. Paketlenmiş daha fazla enerji, tek şarjla daha uzağa gidebilen daha hafif bir araç anlamına gelir. Günümüzün elektrikli araç pilleri 200-250 Wh/kg civarındayken Battery500, 500 Wh/kg hücre seviyesini hedeflemektedi.

2019 Nobel Kimya Ödülü sahibi ve makalenin yazarlarından biri olan Binghamton Üniversitesi’nden Profesör M. Stanley Whittingham, “Battery500 Konsorsiyumu, enerji yoğunluğunu artırmada ve döngü ömrünü uzatmada büyük ilerleme kaydetti” dedi. “Ancak çok daha fazlasının yapılması gerekiyor. Özellikle, lityum-metal pillerle ilgili ele alınması gereken güvenlik sorunları var. Bu, Battery500 ekibinin çözmek için çok çalıştığı bir şey.”

Kaynak: sciencedaily.com