Keşifler Magnezyum Pilleri için Yeni Olanaklar Sağlıyor
Yeni katot, daha önce imkansız olarak düşünülen yüksek güçlü elektrolite olanak sağlıyor.
Araştırmacılar, magnezyum pillerinin geliştirilmesinde çığır açan, oda sıcaklığında çalışılmasını sağlayan ve güç yoğunluğunu lityum-iyon pilleriyle karşılaştırılmasına olanak sağlayan bir buluşun haberini verdi.
Magnezyum pillerinin uzun süredir lityum-iyon pillerinin daha güvenli ve daha ucuz bir alternatif potansiyeli olduğu düşünüldü, ama önceki versiyonları ciddi şekilde sınırlı güç sağladılar.
Houston Üniversitesinden ve Toyota Kuzey Amerika Araştırma Enstitüsünden (TRINA) araştırmacılar yeni bir katot ve yeni bir elektrolit geliştirdiklerini Nature Energy dergisine açıkladı.
Geniş çaplı enerji depolama ihtiyacı ve diğer uygulamalar daha baskın olduğundan, araştırmacılar lityuma göre daha ucuz ve hazır alternatifler aradı.
Magnezyum iyonları aynı iyonik yarı çapa sahipken, lityumun iki katı yük tutar. Sonuç olarak, elektrotlardan magnezyum çözünmesi ve elektrota difüzyonu -klasik interkalasyon katotlarında yer alan iki süreç- oda sıcaklığında durgundur ve düşük güç performansına sebep olur.
Bu zorluklara bir yaklaşım ise kimyasal reaksiyonları yükseltilmiş sıcaklıklarda ilerletmektir. Diğer yaklaşım ise magnezyum katyonlarını kompleks formunda depolamaktır. İki yaklaşımda kullanışlı değildir.
Makalenin ortak yazarı, Houston Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisi Profesörü, Yan Yao, yeni ve orijinal fikirler yaratan sonuçların hem organik kinon katotunun, hem de özel bor kümesi baz alınan yeni bir elektrolit çözeltisinin birleştirilmesinden elde edildiğini söyledi.
Yao, “Magnezyum pillerinin oda sıcaklığında verimli çalışmasını engelleyen iyonik ayrışma ve katı hal difüzyon zorlukları tarafından engellenmeyen bir katot oluştumak için, enolizasyon redoks kimyasını uyguladık.” şeklinde açıkladı. “Bu yeni redoks kimyası sınıfı, magnezyum pili elektrotu tasarımında yeni bir yaklaşım yaratarak, kompleks formları yerine yalnızca magnezyum depolayarak katı hal interkalasyon ihtiyacını atlıyor.”
Aynı zamanda Houston Üniversitesi Süperiletkenlik Merkezinde (TcSUH) baş araştırmacı olan Yao, çok değerlikli metal-iyon pillerin geliştirilmesinde bir liderdir. Grubu yakın zamanda çok değerlikli piller için yol haritasını Nature Energy dergisinde yayımladı.
TRINA araştırmacıları magnezyum pilleri alanında, bor küme anyonlarına dayalı, oldukça tanınmış ve verimli elektolitler geliştirmek dahil, muazzam ilerlemeler kaydettiler. Ancak bu elektrolitler yüksek pil döngü oranlarını karşılamak için sınırlıydı.
TRINA materyal araştırma bölümünde baş araştırmacı Rana Mothadi “Prensipte zayıf koordine olan anyonları baz alan elektrolitlerin çok yüksek döngü oranına sahip olabileceğine dair ipuçlarımız vardı, bu yüzden bu elektrotların özelliklerinde ince ayar yapmaya çalıştık” şeklinde açıkladı. “Dikkatimizi çözücü üzerinde toplayarak, magnezyum iyonlarına bağlanmayı azalttık ve kütle taşıma kinetiğini geliştirerek bunu başardık.”
“Modifiye edilmiş elektolitten kaplanmış magnezyumun, ultra yüksek döngü oranlarında bile pürüssüz kalmasına hayran kaldık. Bunun magnezyum pili elektrokimyasında yeni bir yönü ortaya çıkardığına inanıyoruz.”
Bu çalışma, 2018 Joule’da kısmen açıklanan önceki çalışmanın bir devamıdır ve önceki çalışmada bulunan araştırmacıların çoğu bu çalışmada da bulunmuştur. Yao ve Mohtadi’ye ek olarak, ortak yazarlar arasında, eskiden Yao laboratuvarının bir üyesi olan ve şu anda Austin’deki Texas Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olan ilk yazarlar Hui Dong ve TRINA’dan Oscar Tutusaus; Houston Üniversitesi ve TcSUH’dan Yanliang Liang ve Ye Zhang; ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndan Zachary Lebens-Higgins ve Wanli Yang. Lebens-Higgins ayrıca Binghamton Üniversitesi’ne bağlıdır.
Dong “Bu yeni pil, önceki magnezyum pillerinden elde edilen güç yoğunluğundan neredeyse iki kat yüksek” şeklinde açıkladı. “Pil, 200 döngüden fazla ve %82 civarında kapasite tutma ile, yüksek kararlılık göstererek çalışmaya devam edebildi. Döngü kararlılığını, membranın özelliklerini ara yakalama kapasitesi ile özelleştirerek daha da arttırabiliriz.”
Tutusaus bu çalışmanın yüksek performanslı magnezyum pillerine yönelik sonraki adımları ortaya koyduğunu söyledi. “Sonuçlarımız magnezyum pilleri ve bilinmeyen yeni olasılıklar için yüksek performanslı katot malzemeleri ve elektrolit çözeltileri geliştirmek ve hızlı enerji depolaması için yoğun enerjili metalleri kullanılmasında yeni olasılıkları ortaya çıkardı.”
Kaynak: sciencedaily.com
