Potasyum İyonları Lityum Metal Bataryalarda Dendrit Büyümesini Önleyebilir
Fotoğraf 1: Ekip, performansı artırabilecek lityum metal anotların yüzeyindeki moleküllerin reaktivitesini ve yapısını daha iyi anlamak için nükleer manyetik rezonans spektroskopisi ve bilgisayar simülasyonları kullandı.
Elektrikli araçlar enerji tasarruflu, sürdürülebilir bir gelecek için büyük umut vaat etmekte, fakat uzun mesafeler boyunca güç sağlayabilecek uzun ömürlü ve yüksek enerji yoğunluklu bir bataryaya sahip olmaması kullanımını kısıtlamaktadır. Aynı durum elektrik kesintileri ve şebeke arızaları sırasında evler için de geçerlidir. Bir eve bir geceden fazla elektrik olmadan güç sağlayabilen küçük, verimli bataryalar henüz mevcut değildir. Hafif, uzun ömürlü ve düşük maliyetli enerji depolama imkanı sunan yeni nesil lityum bataryalar, endüstride devrim yaratabilir, ancak bir sürü zorluk başarılı bir şekilde ticarileşmesine engel olmaktadır.
Başlıca sorun, şarj edilebilir lityum metal anotların yeni lityum batarya dalgasında kilit bir rol oynamasına rağmen, bataryanın çalışması sırasında bu anotların lityum dendritlerin büyümesine oldukça duyarlı olmasıdır. Bu durum, bataryaların kısa devre yapmasına, alev almasına veya patlamasına neden olabilir.
Columbia Engineering’deki araştırmacılar, Cell Reports Physical Science‘daki bir makalede potasyum iyonları gibi alkali metal katkı maddelerinin batarya kullanımı sırasında lityum dendritlerin büyümesini önleyebileceğini keşfettiler. Araştırmacılar, mikroskopi, nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi ve hesaplamalı modellemenin bir kombinasyonunu kullanarak, geleneksel bir lityum batarya elektrolitine küçük miktarlarda potasyum tuzu eklemenin lityum/elektrolit arayüzünde benzersiz bir kimya ürettiğini keşfettiler.
Fotoğraf 2: Lityum metal bataryalar, geleneksel bir lityum batarya elektroliti (solda) ile çevrildiğinde mikroyapısal büyüme sergiler. Elektrolite potasyum iyonları eklemek pilin çalışması sırasında bozulmayı modüle eder, mikroyapıların büyümesini önler ve daha güvenli, daha uzun ömürlü bataryaları beraberinde getirir (sağda).
Kimya mühendisi Doç. Lauren Marbella açıklamasında, “Spesifik olarak, potasyum iyonlarının lityum metal yüzeyinde biriken istenmeyen kimyasal bileşiklerin oluşumunu azalttığını, pilin şarj edilmesi/boşaltılması sırasında lityum iyonunun taşınmasını önlediğini ve sonuç olarak mikroyapısal büyümeyi sınırladığını bulduk” dedi.
Ekibinin, alkali metal katkı maddelerinin, lityum metal anotların yüzeyinde iletken olmayan bileşiklerin büyümesini durdurduğuna dair keşfi, anot yüzeyinde iletken polimerlerin biriktirilmesine odaklanan geleneksel elektrolit kullanımı yaklaşımlarından farklıdır. Bu çalışma, NMR spektroskopisi kullanılarak lityum metal anotların yüzey kimyasının ilk detaylı olarak nitelendirilmelerinden biridir ve bu tekniğin lityum metal bataryalar için yeni elektrolitler tasarlama gücünü göstermektedir. Marbella’nın sonuçları, Carnegie Mellon Üniversitesi makine mühendisliği Viswanathan grubundaki ortak çalışanlar tarafından gerçekleştirilen yoğunluk fonksiyoneli teorisi (DFT) hesaplamaları ile tamamlanmıştır.
Marbella, “Ticari elektrolitler, özenle seçilmiş moleküllerin bir kokteylidir” diye belirtiyor. “NMR ve bilgisayar simülasyonlarını kullanarak, nihayet bu benzersiz elektrolit formülasyonlarının moleküler düzeyde lityum metal batarya performansını nasıl iyileştirdiğini anlayabiliyoruz. Bu anlayış, nihayetinde araştırmacılara elektrolit tasarımını optimize etmek ve kararlı lityum metal bataryalara imkan sağlamak için ihtiyaç duydukları araçları veriyor.”
Ekip şimdi bu alkali metal katkı maddelerini, lityum metal üzerinde iletken katmanların büyümesini teşvik eden daha geleneksel katkı maddeleriyle birlikte test ediyor. Ayrıca, bu katmanlardan lityum taşıma oranını doğrudan ölçmek için NMR spektroskopisini aktif olarak kullanıyorlar.
Kaynak: materialstoday.com
