Lityum-Sülfür Pillerinin Performansını Arttıran Çarpıcı Tasarım

Bilim insanları lityum-sülfür pilinin olağanüstü dayanıklılığa sahip olmasını sağlayacak ince bir kompozit film tasarladı.

Araştırmacılar, lityum-sülfür pillerindeki eksiklikleri (olası sorunları) giderebilecek yeni bir bileşen geliştirdiler.

Lityum-sülfür pillerinin -lityum-iyon pilleriyle karşılaştırıldığında- önemli avantajları vardır:

• Ucuz
• Hafif
• Yüksek Enerji Kapasitesi (Özellikle taşınabilir cihazlarda, aynı kütlede iki katına kadar)

Enerji yoğunluğunu arttırmak ve enerji depolama maliyetlerini düşürmek, ulaşım ve enerji üretiminden kaynaklanan sera gazı emisyonlarının azaltılmasında atılacak önemli adımlardır.

Bu durumla beraber, birkaç şarj ve deşarj döngüsünden sonra lityum-sülfür pilleri giderek kararsızlaşır ve elektrotları bozulur, böylelikle enerji depolama sisteminde çeşitli sorunlar meydana gelir.

Özellikle, lityum iyonları sülfürle reaksiyona girer ve iyonlarda göçler meydana gelir (çeşitli bileşen formları oluşur) ve pilin kapasitesi düşer.

Yale Üniversitesi’nde Kimya Bölümü’nde görev yapan Prof.Dr Victor Batista, bu durum gerçekleştiğinde yüzey tıkanır ve böylelikle lityumun katoda geçmesi engellenir yorumunda bulundu.

Lityum-sülfür pillerini kararlı hale getirme konusunda yapılan önceki çalışmalar cihazın ağırlığına etki edecek şekilde kullanılan koruyucu kaplamaları içermekteydi. 2017 yılında Amerikan Ulusal Bilimler Akademisi Bildiri Kitabı’nda (Proceedings of the National Academy of Sciences) yayınlanan çalışmada, Batista ve ekibi lityum-sülfür pillere olağanüstü dayanıklılık kazandıran ince kompozit film geliştirdi.

Bilim insanları, ilk olarak lityum-sülfür pillerinin uzun süre dayanması için iyi özelliklere sahip gerekli malzeme ve yapıların neler olduğunu araştırdı ve katottaki moleküllerin farklı materyaller ile nasıl etkileşeceğini çeşitli yöntemlerden faydalanarak hesapladı.

Çalışma ekibi, daha sonra bir atom kalınlığında karbon yapısına sahip grafenden ve ağaç benzeri dallanma özelliği gösteren polimer olan organik bir dendrimerden film üretti. Sonuç olarak, ortalama 90 nm kalınlığında film elde ettiler.

Film, lityum-sülfür iyonlarını bir arada tutarak elektrolitin içine sızmasını engelledi ve pilin performansının düşmesini önledi. Bu mekanizma ile birlikte araştırmacılar, pilin döngü ömrünü performansını düşürmeden uzatabileceklerini göstermiş oldular. Ayrıca konuyla ilgili olarak Batista, bu malzemelerin en ilgi çekici yanının minimum membran ile kararlılığı sağlayarak pil üretmek olduğunu belirtti.

Yale Üniversitesi Enerji Bilimleri Enstitüsü’nde doktora sonrası araştırmacı olarak görev yapan çalışmanın eş yazarı Jianbing Jiang, piyasada satılan başlangıç maddelerini kullanarak elde ettikleri kompozit filmin ucuz ve ölçeklendirmeye müsait yapıda olduğunu dile getirdi. Ayrıca, bu malzemenin hazırlanması konusunda “teorik olarak gayet basit ve zahmetsiz” yorumunda bulundu.

Araştırmacılar, işin hala ön aşamasında olduklarını ve lityum-sülfür pillerinin performansını daha da geliştirmek için çeşitli yöntemler üzerine çalıştıklarını belirttiler. Ayrıca, Enerji Bilimleri Enstitüsü’nde doktora sonrası araştırmacı olarak görev yapan çalışmanın eş yazarı Ke Yang,  buradan yola çıkarak daha iyi performans gösteren yeni materyaller tasarlayabileceklerini ifade etti.

Kaynak : scientificamerican.com