Seramik ‘Tekstil’ Katı Hal Pillere Esneklik Sağlıyor
Fotoğraf : Orijinal kumaş şablonunun fiziksel özelliklerini koruyan, esnek lityum iyon iletken seramik lifli tekstilin gösterimi. Eşsiz yapı, sürekli lifler, yüksek iyon katı iyon iletkenleri ve çok düzeyli gözeneklilik sayesinde uzun menzilli lityum-iyon nakil yolları sağlar.
Son teknoloji ürünü lityum iyon piller, cihazlara mobil güç kaynağı sağlayarak, elektronik ve ulaşım alanında devrim yarattı. Fakat başarılarına rağmen, lityum-iyon piller, bağlı oldukları yanıcı sıvı elektrolitler nedeniyle patlayabilir veya yanabilir. Güvenli bir alternatif ise katı elektrolit kullanan katı hal pilleridir.
Şimdilerde, Maryland Üniversitesi’nden bir ekip lityum-iyon iletken seramik tekstil bazlı yeni bir hal pili tasarladı. [Gong et al., Materials Today (2018),doi: 10.1016/j.mattod.2018.01.001]
Araştırmaya öncülük eden Eric D. Wachsman, “Lityum-iyonu ileten granat(lal taşı) lifli mat tekstilleri yapmak için örnek olarak basit ticari bir kumaş kullandık ve sonra lifler arasındaki gözenekleri katı bir polimer elektrolitle doldurduk.” şeklinde açıklıyor.
Kristalize granat benzeri yapılar (kimyasal formülü Li7La3Zr2O12) en gelecek vaadeden katı iletkenlerden biridir çünkü kübik yapıları lityum-iyonları hızlıca iletir ve lityum metalden yüksek voltaj katotlarına kadar yüksek kimyasal stabiliteye sahiptirler. Granat tekstili oluşturmak için, araştırmacılar basitçe selüloz-bazlı dokuma kumaşları granat başlatıcı solüsyona batırdılar, ardından çeşitli sıcaklıklarda bir fırında ateşlemeyi (kalsinasyonu) izlediler. Sinterleme işlemi, tekstil şablonunu, iç içe geçmiş gözenekler ile ayrılmış dokunmuş lifler dahil kumaşın yapısal özelliklerini koruyan granatın arkasında bırakarak yakar. Bu gözenekler, lityum-iyon/polimer çözeltisi ile kolayca doyurulur. Bu granat tekstil eş zamanlı olarak lityum iyonlar için üç boyutlu iletken yapı iskelesi sağlar ve polimer elektrolit için fiziksel olarak sağlam bir destek sağlar.
Fotoğraf: (a) Ön işlem görmüş tekstil şablonunun taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüsü (b) Başlatıcı solüsyona batırılmış şablonun SEM görüntüsü; (c) Granat tekstilinin SEM görüntüsü (d) 3D lazer taramadan granat tekstil düzlüğü modeli (e) granat tekstilinin esnekliği, işlenebilirliği ve solvent toleransı
Fotoğraf: Lityum-kükürt piller için 3D granat tekstil elektrot mimarisi: (a) yoğun destekleyici elektrolit üzerine sinterlenmiş granat tekstilinin fotoğrafı; (b) Sülfür katot süzülmüş granat tekstil elektrot mimarisine ait SEM görüntüsü.
Wachsman, “Bu yapı, sürekli seramik lifler aracılığıyla hızlı iyon iletimini mümkün kılacak, ancak aynı zamanda daha geleneksel polimer elektrolitlerin rulodan ruloya işleme kullanma esnekliğini ve kabiliyetini sağlama yeteneğine de sahip”. dedi.
Geleneksel piller, işlem sırasında lityum dallantılarının oluşumu nedeniyle kısa devre oluşumuna yatkın sıvı elektrolitler kullanır. Polimer elektrolitleri dendrit oluşumunu engellemeye yardımcı olur çünkü bunlar daha serttir, ancak seramik elektrolitleri daha da serttir ve bu nedenle daha etkilidir.
“Polimerler ile ilgili sorun, lityum metal ile temas halindeki düşük iletkenliği ve kimyasal dengesizliğidir. Buna karşın lal taşı seramikleri yüksek iletkenliğe sahip ve lityum metali ile temas halindeyken stabildir, fakat esnek değildir. Hibridimiz hepsi için en iyi özellikleri sağlıyor.”diyor Wachsman.
Araştırmacılar, lityum-kükürt bataryaları için granat dokumasından üretilen prototip elektrotların, 10,8 g / cm2’lik çok yüksek kükürt yüklemesini ve 500 saatin üzerinde stabil lityum döngüsünü sağladığını bildiriyor.
Wachsman ve ekibi, teknolojiyi ileriye taşıyor ve şimdi, tekstil seyrelticinin iyonik taşınmaya karşı direncini azaltmaya ve granat fazı hacim oranını arttırmak için yoğunlaştırma sürecini optimize etmeye çalışmaktadır.
Kaynak: materialstoday.com
