Oksijen Kaybı Lityum İyon Pillerin Voltajını Nasıl Etkiliyor?

Fotoğraf:  SLAC ve Stanford’daki bilim insanları, lityum iyon pil elektrotlarını oluşturan milyarlarca nanopartikülden oksijenin nasıl sızdığına, zamanla pilin voltajını ve enerji verimliliğini nasıl düşürdüğüne dair ayrıntılı ölçümler yaptılar. Bu görselde, kırmızı küreler oksijen atomlarını ve mor küreler metal iyonlarını temsil etmektedir. Bu çalışma, sorunu en aza indirmenin ve pil performansını iyileştirmede yeni yollar açabilir.

Lityum iyon pillerinin şarj ve deşarj işlemleri sırasında lityum iyonları, pilin elektrotuna girip çıktıkça az bir miktarda oksijen sızıntısı meydan gelmektedir. Bu da pilin ne kadar enerji ilettiğinin bir ölçüsü olan voltajın azalmasına neden olur. Daha sonra bu kayıpların zamanla artmasıyla birlikte pilin enerji depolama kapasitesinde %10-15 oranında bir azalma gözlemlenebilmektedir.

Bunun üzerine araştırmacılar, oksijen atomlarının sızdığı boşlukların elektrotun kimyasını ve yapısını nasıl değiştirdiğini ve pilin depolama kapasitesini kademeli olarak azaltan bu süper-yavaş süreci tüm ayrıntılarıyla ölçtüler. Sonuçlar ise bilim insanlarının bu süreç hakkında yaptığı bazı varsayımlarla çelişmektedir.

ABD Enerji Bakanlığı’nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ve Stanford Üniversitesi’nden araştırma ekibi, Nature Energy’deki çalışmalarını anlattı.

Doçent Will Chueh ile deneyler üzerinde çalışan Stanford Üniversitesi doktora öğrencisi Peter Csernica süreçle ilgili olarak, “Yüzlerce döngü boyunca çok yavaş, çok küçük bir oksijen damlamasını ölçebildik” dedi. “Çok yavaş olması da tespit edilmesini zorlaştırdı.”

Çift Yönlü Sallanan Sandalye

Lityum iyon pillerin çalışması, sallanan bir sandalyeye benzetilebilir. Piller, lityum iyonlarını geçici olarak yük depolayan iki elektrot arasında ileri geri hareket ettirir. Her ne kadar ideal bir durumda, bu iyonlar, her bir elektrotu oluşturan milyarlarca nanopartikülün içinde ve dışında hareket eden tek şey olsalar da bilim insanları, lityumun ileri geri hareketi esnasında oksijen atomlarının parçacıklardan sızdığını bir süredir biliyordu. Ancak sızıntılardan gelen sinyaller doğrudan ölçülemeyecek kadar küçük olduğu için bu sızmayla ilgili detayların saptanması çok zordu.

Csernica, yaklaşık 500 şarj ve deşarj işleminden sonra meydana gelen toplam oksijen sızıntısı miktarının %6 civarında olduğunu belirtti ve devamında, “500 işlemden elde ettiğimiz bu değer aslında küçük bir sayı değil. Ancak her döngüden elde edilen sızıntı miktarının bu %6’lık değerin yaklaşık olarak yüzde birinin yüzde biri olduğu düşünülürse sürecin zorluğu daha net görülebilir.” dedi.

Bu çalışmada araştırmacılar, oksijen kaybının parçacıkların kimyasını ve yapısını nasıl değiştirdiğine bakarak sızıntıyı dolaylı olarak ölçtüler. Süreci, en küçük nanopartiküllerden nanopartikül kümelerine ve bir elektrotun tam kalınlığına kadar olmak üzere farklı ölçeklerde takip ettiler.

Chueh, pillerin çalıştığı sıcaklıklarda oksijen atomlarının katı malzemeler içinde hareketi çok zor olduğu için, oksijen atomlarının yalnızca nanopartiküllerin yüzeyinden geldiğini söyledi.

Çalışmada neler olup bittiğine daha yakından bakmak için araştırma ekibi pilleri farklı süreler boyunca çalıştırdı. Ayrıca, ayrıntılı inceleme için Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nda bulunan bir tesis olan ‘Advanced Light Source’a gönderildi. Burada numuneler, özel bir X-ışını mikroskobu kullanılarak tarandı, yüksek çözünürlüklü görüntüleri oluşturuldu ve her küçük noktanın kimyasal yapısı incelendi. Buradan sağlanan veriler, nano ölçekli ayrıntıları ortaya çıkarmak için ptikografi adı verilen bir hesaplama tekniği ile birleştirildi.

Bununla birlikte, ekip, nano ölçekte yaptıkları gözlemlerin daha büyük ölçeklerde de doğruluğu test etmek istedi ve SLAC’ın ‘Stanford Synchrotron Light Source’unda, tüm elektrotlardan X-ışınları çekti.

Patlama ve Ardından Damlama

Araştırma ekibi, oksijenin nasıl meydana gelebileceğine dair deneysel sonuçlarla bilgisayar modellerini karşılaştırdı. Daha sonra, parçacığın yüzeyinden ilk oksijen patlamasıyla birlikte oksijenin çıktığını ve ardından içeride çok yavaş bir damlama meydana geldiği sonucuna vardılar. Ayrıca, nanopartiküllerin daha büyük kümeler oluşturmak için bir araya toplandığı yerlerde, kümenin merkezine yakın olanlar yüzeye yakın olanlardan daha az oksijen kaybetti.

Çalışmayla ilgili olarak Chueh, bir diğer önemli sorunun ise oksijen atomlarının kaybının geride kalan materyalleri nasıl etkilediği olduğunu belirtti. “Aslında bu büyük bir gizemi” dedi. “Nanopartiküllerdeki atomların sıkı bir şekilde paketlenmiş küreler gibi olduğunu hayal edin. Bu paketlenmiş kürelerden oksijen atomlarını çıkarmaya devam ederseniz, tüm yapı çökebilir ve yoğunlaşabilir. Çünkü yapı, bu sıkı paketlenmeye yatkındır.”

Ancak, elektrotun yapısının bu yönü doğrudan görüntülenememektedir. Bu sebeple bilim insanları, çeşitli oksijen kaybı durumlarının bilgisayar modelleriyle diğer deneysel gözlem türlerini tekrar karşılaştırdılar. Sonuçlar, boşlukların devam ettiğini, yani malzemenin çökmediğini ve yoğunlaşmadığını ve pilin kademeli olarak azalmasını nasıl sağladığını gösterdi.

Chueh, “Oksijen atomları ayrıldığında, bunu çevreleyen manganez, nikel ve kobalt atomları da göç eder. Yani tüm atomlar ideal konumlarından ayrılmaktadırlar.” dedi. ” Eksik oksijenin neden olduğu kimyasal değişikliklerle birlikte, metal iyonlarının bu yeniden düzenlenmesi ise pilin voltajını ve dolayısıyla verimliliğini zamanla düşürür. Her ne kadar bu fenomen uzun zamandır biliniyor olsa da mekanizması belirsizdi.”

Şimdi, oksijen kaybını ve bunun zarar verici etkilerini azaltmanın yeni yollarına yol açabilecek bu önemli pil bozulması kaynağı hakkında “bu bilimsel, aşağıdan yukarıya bir anlayışa sahibiz” dedi.

Son olarak Chueh çalışmalarıyla ilgili, mekanizmanın çözülmesiyle birlikte pildeki oksijen kaybını ve bunun zarar verici etkilerini azaltmada yeni yollar açabileceklerini belirtti.

Kaynak: sciencedaily.com