Lityum-Sülfür Pilleri için Yeni Bir Polimer
Fotoğraf : Bu fotoğraf Lityum-sülfür pil hücresinin çevirimi sırasında kompleks iyon kümelerinin oluşumunu gösterir. Kümeler katyonik polimer bağlayıcıları, pil elektroliti ve anyonik sülfür-aktif maddelerden oluşur.
Lityum-sülfürlü piller daha ucuz, daha hafif olmaları ve aynı kütlede neredeyse iki kat daha fazla enerji depolayabilme özellikleri sayesinde elektrikli araçlarda değiştirilmiş ortak lityum iyon pilleri için umut verici adaylardır. Bununla birlikte, lityum-sülfürlü piller zamanla kararsız hale geliyor, elektrotları bozuluyor ve kullanımı kısıtlanıyor.
ABD Enerji Bakanlığı Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nda (Berkeley Lab) bilim insanları tarafından yönetilen bir grup araştırmacı yeni bir lityum-sülfür pil bileşenini bildirdiler. Bu yeni pil yüksek akım yoğunluklarında 100’den fazla şarj devresinden sonra bile klasik bir lityum-sülfür pil ile karşılaştırıldığında kapasitenin iki katına çıkmasına olanak tanır ve bu durum elektrikli taşıtlar(EVs) ve havacılıktaki temel performans ölçümlerinin anahtarıdır.
Bilim adamları Lityum-sülfürlü pil içinde iyon taşıma süreçlerini aktif olarak düzenleyen yeni bir polimer bağlayıcısı tasarlayarak bunu yaptılar ve moleküler düzeyde nasıl çalıştığını gösterdiler. Çalışmaları Nature Communications’da bildirildi.
Berkeley Laboratuvarının Moleküler biriminde görevli olan bilim insanı ve söz konusu çalışmanın yazarı Brett Helms “Yeni polimer bir duvar gibi davranıyor” dedi. “Sülfür daha sonra polimerimiz tarafından sızdırmaz hale getirilen karbon bariyerinin gözeneklerine yüklenir. Polimer, pilde oluşan kimyasal reaksiyonları içindeki sülfür parçacıkları gibi negatif yüklü sülfür bileşiklerinin dolaşmasını engelliyor. Bu pil yeni nesil EV’leri etkinleştirmek için büyük bir umut vaat ediyor.” diyerek ekledi.
Bir lityum-sülfürlü pil enerji depoladığında ve enerjisini bıraktığında, kimyasal reaksiyon elektrondan kopuk hareketli sülfür molekülü üretir, bu durum bozulmayı oluşturur ve böylece zamanla pilin kapasitesini düşürür. Bu pilleri daha dengeli hale getirmek için, araştırmacılar elektrotlar için koruyucu kaplamalar geliştirmeye ve pil bileşenlerini bir arada tutan yeni polimer bağlayıcıları geliştirmeye çalışıyorlardı. Bu bağlayıcıların, elektrotun şişmesini ve çatlamasını kontrol etmesi veya hafifletmesini amaçlanmışlardı.
Yeni bağlayıcı çalışmayı bir adım daha ileri götürür. Nano ölçüm bilimi alanında uzmanlaşmış araştırma merkezi olan Berkeley Lab’ın moleküler birimindeki Organik Sentez Tesis araştırmacıları, sülfür moleküllerini seçici olarak bağlayarak ve göç etme eğilimlerini ortadan kaldırarak sülfürü elektroda yakın tutacak bir polimer tasarladılar.
Sonraki adım, şarj ve deşarj sırasında ve farklı şarj durumlarında oluşması muhtemel dinamik yapısal değişiklikleri anlamaktı. Moleküler biriminde Teori Tesis yöneticisi David Prendergast ve bu tesiste proje bilim insanı olan Tod Pascal, polimerin davranışlarıyla ilgili hipotezlerini test etmek için bir simülasyon hazırladı.
Prendergast, “Çözünmüş sülfür içeren ürünlerin detaylı kuantum mekanik simülasyonlarına dayalı olarak, bu bağlayıcılar içindeki sülfür kimyasını güvenilir ve verimli bir şekilde artık modelleyebiliriz” dedi.
Berkeley Laboratuvarının Ulusal Enerji Araştırması Bilimsel Hesaplama Merkezi’ndeki (NERSC) büyük ölçekli moleküler dinamik simülasyonları, polimerin hareketli sülfür moleküllerini bağlama konusunda bir eğilime sahip olduğunu doğruladı ve ayrıca polimerin farklı şarj durumlarında farklı sülfür türlerini bağlamak için bir tercih gösterebileceğini öngördü. Berkeley Laboratuvarının Gelişmiş Işık Kaynağı kısmında ve Argonne Ulusal Elektrokimya Araştırma Laboratuvarı’nda yapılan deneyler bu tahminleri doğrulamıştır.
Araştırma ekibi, yeni polimer bağlayıcısı ile yapılan lityum-sülfür hücrelerinin performansını da inceleyerek çalışmalarını bir adım daha ileri götürdü. Bir dizi deneyle, polimerin sülfür katodundaki kimyasal reaksiyon oranını nasıl etkilediğini analiz edebildiler, bu da bu hücrelerle yüksek akım yoğunluğu ve yüksek güç elde etmenin anahtarıdır.
Yeni pil, uzun süreli çevrim ile pilin elektrik kapasitesini neredeyse iki katına çıkararak, lityum-sülfürlü pillerin kapasitesi ve gücünü artırıyor.
Yeni polimerin sentezi, teorisi ve karakteristik özelliklerinin birleşimi, DOE’nin Enerji Depolama Araştırma Ortak Merkezi’nde (JCESR) prototip lityum-sülfür hücresi halinde önemli bir bileşen haline getirildi.
Kaynak : phys.org
