Katı Elektrolit, Sodyum-Kükürt Bataryanın Ömrünü Uzatır
Fotoğraf : Seramik bir zarın üstünde bulunan nano gözenekli bir polimer filmden oluşan yeni bir katı elektrolit, sodyum-kükürt bataryalarının ömrünü uzatır. Kırmızı çizgi, polimer ve seramik arasındaki sınırı göstermektedir.
Onlarca megawatt güç depolayabilen sodyum kükürt bataryaları, dünyadaki birçok elektrik şebekesinin dengelenmesine yardımcı olur. Aslında, dünyanın en büyük pili, Abu Dabi’deki bir elektrik şebekesine bağlı 108 MW’lık bir sodyum sülfür pilidir. Ancak her ne kadar bu piller, lityum-iyon pillerde olduğu gibi hacim başına enerjinin yaklaşık yarısını depolasa da, bol, ucuz ve toksik olmayan malzemeler kullanma avantajına da sahiptirler. Austin’deki Texas Üniversitesi’nde kimyager olan Arumugam Manthiram “Sodyum-kükürt sistemi bir hayaldir, çünkü uzun vadeli, sürdürülebilir bir teknolojidir” diyor.
Alışılagelmiş sodyum-kükürt bataryaları, 300 °C’lik şiddetli sıcaklıklarda çalışır. Oda sıcaklığında çalışan piller daha ucuz ve daha güvenli olacaktır, ancak sadece birkaç şarj döngüsü sağlayan pillerle bunun zor olduğu kanıtlanmıştır. Şimdi, bilim insanları Manthiram ve Xingwen Yu yeni bir katı elektrolit yardımıyla, sodyum sülfür pillerinin pratik olarak kullanılabilmeleri için büyük bir adım atıp pillerin ömrünü arttırdılar.
Orijinal olarak 1960’larda Ford tarafından geliştirilen, sodyum-kükürt bataryalar tipik olarak, aralarında gözenekli bir ayırıcı ile birlikte sırasıyla anot ve katot olarak erimiş sodyum ve kükürt kullanırlar. Erimiş elektrotların kullanımı ve bakımı pahalıdır ve patlayıcı olabilirler.
Araştırmacılar, oda sıcaklığında çalışan farklı elektrotlara sahip sodyum sülfür piller geliştiriyorlar. Ancak bu cihazlar kritik zorluklarla karşı karşıya. Örneğin, sodyum iyonları kükürt ile reaksiyona girerek anotu aşındıran istenmeyen polisilfitler oluşturabilirler ve bunun bir sonucu olarak batarya zamanla daha az enerji depolar hale gelir. Ayrıca sodyum, anotlar üzerinde dendrit çökeltileri oluşturabilir, bu da gözenekli ayırıcıyı delebilir ve bu durum sonucu hücre kısa devre yaparak yangına neden olabilir.
Manthiram ve Yu, her iki sorunu da mükemmel bir sodyum-iyon iletkeni olarak bilinen seramik bir zardan (Na3Zr2Si2PO12) oluşan katı bir elektrolitle çözmeye çalıştılar. Bu elektrolit ile araştırmacılar, anot olarak sodyum folyo ve katod olarak kükürt tozu ile kaplanmış selüloz nanofiber kağıdı olan bir hücre bataryası tasarladılar.
Araştırmacılar, seramik elektroliti, minik gözeneklerle birleştirilen ultra ince ve esnek bir polimer film ile kapladılar. Polimer katı elektrotları ve elektroliti yakın temasta tutan elastik bir tampon tabakası görevi görerek yükler arasında kolayca akabilir. Polimerin nanoporları sodyum polisülfürlerin geçmesini önler ve dendritler seramik elektroliti delemez.
Testler sırasında, geleneksel bir hücrenin şarj tutma kapasitesinin 20 devirden sonra hızlı bir şekilde düştüğü gözlemlenirken yeni katı elektrolit bataryanın kapasitesi 100’den fazla döngü için aynı kalmıştır. Manthiram, bataryayı daha da uzun süre dayandırabileceklerini düşünüyor. Bu aslında zorunludur çünkü şebeke bataryalarının binlerce şarj işlemi için çok uzun süre dayanması gerekir. Şimdilik araştırmacılar daha büyük hücreler yapmayı ve tasarımı optimize etmeyi planlıyorlar.
Pacific Northwest National Laboratory’de bir enerji depolama araştırmacısı olan Jun Liu, katı elektrolitlere, lityum ve sodyum iyon akülere büyük dikkat çekti çünkü daha iyi elektrot malzemeleri sağlayıp pilleri daha güvenli hale getiriyorlar. “Zorluk, katı elektrolitin belirli bir hücre kimyasında çalışmasını sağlamak” diyor. Bu ekibin araştırması, “seramik ve polimer malzemelerin uygun kombinasyonunu kullanarak” sodyum sülfür kimyasının nasıl çalışacağı konusunda yeni bilgiler sunuyor.
Kaynak : acs.org
