Lityum İyon Piller için Umut Verici Bir Anot Malzemesi Keşfedildi
Fotoğraf 1: Ultra hızlı pil şarjı için biyo-bazlı bir anot malzemesi. Önerilen anot malzemesinin öncüsü olan polibenzimidazol, biyolojik süreçlerden türetilebilir ve hızlı şarjlı lityum iyon piller oluşturmak için kolayca işlenebilir. Elektrikli araçlarda benimsenmeleri, onları tüketiciler için geleneksel araçlara göre daha çekici hale getirerek daha temiz bir ortam ve düşük CO2 emisyonlarına yol açacaktır.
Fotoğraf 2: Lityum iyon piller için son derece umut verici bir anot malzemesi. Önerilen malzemeyi hızlı şarj için ideal yapan temel özelliklerden bazıları, yüksek nitrojen içeriği ile beraber katmanlar arasında ve toplu olarak daha hızlı lityum iyon kinetiğine izin veren gelişmiş katman aralığıdır. Buna ek olarak, önerilen anot malzemesi çok kararlıdır ve binlerce döngüden sonra bile orijinal kapasitesinin çoğunu korur.
Biyo-bazlı polimerlerle birlikte önerilen kararlı anot malzemesi, elektrikli araçlar için son derece hızlı pil şarjının durumunu değiştirebilir. İklim değişikliği endişeleriyle birlikte, giderek artan sayıda araştırmacı şu anda elektrikli araçları (EV) geliştirmeye ve onları geleneksel yakıtlı araçlara daha çekici bir alternatif haline getirmeye odaklanmaktadır. EV’ler için pil iyileştirmesi bu nedenle önemli bir konudur. Güvenlik, özerklik ve dayanıklılığın yanı sıra çoğu insan şarjda çabukluk istemektedir. Şu anda, son teknoloji EV’lerin yeniden şarj edilmesi 40 dakika sürerken, benzinli arabalar beş dakikadan daha kısa sürede ‘şarj edilebilir’ durumdadır. Geçerli bir seçenek olması için şarj süresinin 15 dakikanın altında olması gerekmektedir.
Taşınabilir elektronik cihazlarla her yerde kullanılan lityum iyon piller (LIB’ler), EV’ler alanında bir seçenektir ve performanslarını artırmak için her zaman yeni stratejiler aranmaktadır. LIB’lerin şarj süresini kısaltmanın bir yolu, pilin anotunda kullanılan karbon bazlı malzemelerdeki ara katman mesafesini artırarak yapılabilen lityum iyonlarının difüzyon hızını arttırmaktır. Bu, nitrojen safsızlıkları (teknik olarak nitrojen katkılama olarak adlandırılır) dahil edilerek bir miktar başarı ile elde edilmiş olsa da katmanlar arası mesafeyi kontrol etmek veya doping elemanını konsantre etmek için kolayca kullanılabilecek bir yöntem bulunmamaktadır.
Bu arka plana karşı, Japonya İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nden (JAIST) bir bilim insanı ekibi, yakın zamanda LIB’lerin aşırı hızlı şarj edilmesine yol açabilecek anot üretimi için bir yaklaşım geliştirdi. Prof. Noriyoshi Matsumi tarafından yönetilen ekip, Prof. Tatsuo Kaneko, Kıdemli Öğretim Görevlisi Rajashekar Badam, JAIST Teknik Uzmanı Koichi Higashimine, JAIST Araştırma Görevlisi Yueying Peng ve JAIST öğrencisi Kottisa Sumala Patnaik’ten oluşmaktadır. Bulguları 24 Kasım 2021’de Chemical Communications’da yayınlandılar.
Stratejileri, çok yüksek nitrojen içeriğine sahip karbon bazlı bir anot üretmek için nispeten basit, çevreye duyarlı ve oldukça verimli bir yol oluşturulmalıdır. Anot için öncü malzeme, biyolojik kökenli ham maddelerden sentezlenebilen biyo-bazlı bir polimer olan polibenzimidazoldür. Ekip, bu termal olarak kararlı malzemeyi 800 °C’de kalsine ederek, ağırlık olarak %17’lik rekor bir nitrojen içeriğine sahip bir karbon anot hazırlamayı başardı. Bu malzemenin başarılı sentezini doğruladılar ve taramalı elektron tünelleme mikroskobu, Raman spektroskopisi ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi dahil olmak üzere çeşitli teknikler kullanarak bileşimini ve yapısal özelliklerini incelediler.
Anotlarının performansını test etmek ve daha yaygın olan grafitle karşılaştırmak için araştırmacılar, yarım hücreler ve tam hücreler inşa ettiler ve şarj-deşarj deneyleri yaptılar. Önerilen anot malzemesi, geliştirilmiş lityum iyon kinetiği sayesinde hızlı şarj için uygun olduğunu kanıtladığı için sonuçlar çok umut vericiydi. Ayrıca, dayanıklılık testleri, önerilen anot malzemesine sahip pillerin, yüksek oranlarda 3.000 şarj-deşarj döngüsünden sonra bile başlangıç kapasitesinin yaklaşık %90’ını koruduğunu gösterdi. Bu sonuç, grafit bazlı hücreler tarafından tutulan kapasiteden önemli ölçüde daha fazladır.
Sonuçlar hakkında heyecanlı olan Profesör Matsumi, “Hazırladığımız anot malzemesiyle son derece hızlı şarj oranı, EV’lerde kullanıma uygun hale getirebilir. Çok daha kısa şarj süreleri, umarım tüketicileri benzinli araçlar yerine EV’leri seçmeye çekecek ve sonuçta dünyanın her büyük şehrinde daha temiz ortamlara yol açacaktır.” dedi.
Önerilen anot malzemesinin bir başka kayda değer avantajı, sentezinde biyo-bazlı bir polimerin kullanılmasıdır. Düşük karbonlu bir teknoloji olarak, malzeme doğal olarak CO2 emisyonlarını daha da azaltan sinerjik bir etkiye yol açmaktadır. Ek olarak, Profesör Matsumi’nin dediği gibi, “Yaklaşımımızın kullanılması, hızlı şarj-deşarj yeteneklerine sahip anot malzemelerindeki yapı-özellik ilişkilerinin incelenmesini ilerletecektir.”
Polimer öncünün yapısındaki değişiklikler yalnızca EV’lerin değil, aynı zamanda taşınabilir elektroniklerin pilleri için de geçerli olabilecek daha da iyi performansa yol açabilir. Son olarak, son derece dayanıklı pillerin geliştirilmesi, yenilenemeyen kaynaklar olan nadir metallerin küresel tüketimini de azaltacaktır.
Kaynak: phys.org
