Redokssuz Elektron Transferiyle Güçlü Bataryalar Üretmek Mümkün
Fotoğraf: 2020 Amerikan Kimya Derneği – Yeni malzeme, şu anda piyasada bulunan herhangi bir bataryadan daha fazla enerji depolayabilen bir florür pil yapmak için kullanılabilir.
Olağan bağlantılı redoks reaksiyonları olmadan elektronları hem depolayabilme hem de kaybedebilme gibi garip özelliklere sahip bir materyal tanımlandı. Florür iyon bazlı bir malzemede gerçekleşeceği tahmin edilen redoksuz işlem, uzun ömürlü, yüksek kapasiteli yeni nesil pillere olanak sağlayabilir.
ABD’deki Chapel Hill’deki North Carolina Üniversitesi’ndeki çalışmaları yöneten Scott Warren, “Bu gerçekten tuhaf ama heyecan verici. Bu, indirgeme veya oksidasyon olmadan, başka bir deyişle atomların yüklerini değiştirmeden elektron transferinin ilk örneği olabilir ” diyor .
Lityum-iyon gibi geleneksel bir bataryada, elektrotlarındaki atomlar pozitiften negatif yüke geçer ve bunun tersi de pil şarj olduğunda veya boşaldığında elektronları kaybeder veya kazanır. Bu, malzemenin atomlarının azaldığı veya oksitlendiği anlamına gelir ve pilin elektrotlarının bazı durumlarda % 30’a kadar küçülmesine veya hacim olarak büyümesine neden olur. Bu pek çok şarj-deşarj döngüsünde, sonunda elektrotların çatlamasına neden olur ve pil ömrünün performansını düşürür.
Warren, “Bilim insanları elektronların yalnızca atomlarda bulunabileceğini düşünmeye o kadar alışkınlar ki, herkes indirgeme ve oksidasyonun elektron transferinin gerekli bir sonucu olduğunu varsaydı” diyor. Ancak sekiz yıl önce Warren, negatif iyonların takas edilebileceği ve elektronlarla değiştirilebileceği bir materyal olup olmadığını merak etti.
Warren’ın Laboratuvarı elektridler olarak bilinen bir malzeme sınıfını keşfetmeyi başardı. Bunlar, elektronları atomlardan izole tutan bir matris yapısına sahiptir, elektronların negatif iyonlar gibi davranma olasılığını sunar ve böylece redoks reaksiyonlarını tamamen önler. Bilgisayar hesaplamaları, araştırmacıları potansiyel elektrit adaylarına yönlendirdi, en umut verici olan itriyum diflorokarbendir (Y2CF2), bu modeller florür iyonlarını tersine çevirerek kaybederek [Y2C]2+(e-)2‘ye dönüşebileceğini ve iki florür iyonunun yerini iki elektronun değiştirebileceğini öne sürüyor.
Oxford Üniversitesi’nde enerji depolamayı araştıran Mauro Pasta, “Ticari lityum iyonlarını geçebilen ve elektrikli uçuş gibi devrim niteliğindeki uygulamaları güçlendiren yüksek enerji yoğunluklu pil kimyaları arayışında, florür iyon piller bilimsel olarak en ilgi çekici olanlardan biridir. Deneysel olarak doğrulanırsa, elektritler florür iyon piller için en umut verici yüksek kapasiteli aktif malzemelerden biri haline gelebilir” diyor.
Warren, “Hem atomlara hem de elektronlara sahip bir pil elektrodu ile, pilin deşarj işlemi sırasında elektronları kaybedebiliriz, ancak malzemenin içindeki atomlar oksitlenmez veya azalmaz. Bir elektron bir florür ile değiştiğinden ve elektronun florür ile aynı boyutta olması nedeniyle, malzeme hacim değiştirmez” diye açıklıyor. Bu, çatlama ve kapasite kaybının geleneksel pillerle aynı ölçüde olmayacağını göstermektedir.
Dahası ekip, redoks içermeyen pil sisteminin mevcut ticari lityum iyon pillerin kapasitesini iki katına çıkardığını keşfetti. Bunun nedeni, Y2C’yi Y2CF2‘ye dönüştürmenin her üç konakçı atom için iki florür iyonu depolamasıdır. Aynı zamanda, en iyi lityum iyon piller her üç ana atom için bir lityum iyon depolar. Warren, “Bu yüzden elektrottaki atom sayısını %66 arttırdığımız için hacmin değişmemesi daha da şaşırtıcı” diyor.
2011’de ilk florür pili geliştiren İngiltere’deki Swansea Üniversitesi’nden Anji Munnangi , “Bu, ezber bozan bir düşünce ve çok temel bir öneme sahip olacak” diyor. Bununla birlikte, bilinen elektrotların çoğu ağır olduğundan ve sadece az miktarda şarj depolayabildiğinden, florür iyon piller için sınırlı pratik ilişkiye sahip olacağını öne sürüyor. Bu malzemenin pratik cihazlarda ne kadar iyi çalışacağı merak uyandırıyor.
Kaynak: chemistryworld.com
