Yeni Keşif Süngerimsi Çinko Bazlı Piller

Çinko elektrodun alışılmamış şekli ile düşük maliyetli, uzun ömürlü ve güvenli bir pil yapılabilir. Çinkonun kullanışlı özelliklerinden gelecek nesil pillerde yararlanmak için araştırmacılar gözenekli süngerimsi bir yapıda çinko elektrotlar hazırladılar. Yapılan bir çalışmaya göre bu elektrotlara sahip pillerin uzun ömürlü ve enerji yoğunluklarının fazla olduğu saptanmıştır. Dahası doğal olarak güvenli bir teknolojidir.

Çinkonun nispeten düşük maliyeti ile birlikte geniş çaptaki mevcudiyeti ve elverişli elektrokimyasal özellikleri birleşince, çinko bazlı piller piyasadaki diğer pil kimyalarına göre daha rekabetçi bir avantaj sağlamaktadır. Özellikle, Zn pillerin, Li-iyon pillerinden daha güvenli olduğu söylenebilir; çünkü Zn bazlı pillerde, Li-iyon pillerde kullanılan yanıcı organik türler yerine sulu elektrolitler kullanılır.

Fakat sulu Zn-bazlı piller hızlı bir şekilde tükenmektedir. Yeniden şarj etme sırasında, metal üzerinde kontrolsüzce büyüyebilen ve elektrotlar arasındaki ayırıcıyı delebilen telimsi dendritler oluşur. Bu dendritler pozitif ve negatif elektrotlar arasında bağlantı kurup pile kısa devre yaptırabilir.

Washington, D.C.’daki Naval Research Laboratuvarı’ndaki (NRL) bilim adamları, geleneksel preslenmiş toz elektrotlar yerine süngerimsi bir yapıya sahip çinko elektrotlar kullanarak görülen bu problemlerin çözülebileceğini kanıtlamışlardır. Şekilde görüldüğü üzere geleneksel çinko toz anotlarının (solda) aksine, süngerimsi çinko anotlar dendrit oluşumuna direnmektedir (sağda).

Joseph F. Parker, Debra R. Rolison ve Jeffrey W. Long’un da bulunduğu bir ekip, bir yağ ve su emülsiyonuna çinko tozu ilave ederek hazırladığı çinko süngerlerini gece boyunca kurumaya bıraktılar.

Sünger yapısı, deşarj sırasında çinko metalinin daha düzgün oksidasyonunu sağlayarak deşarj ürünü olan çinko oksitin sünger anodunu daha eşit şekilde kaplamasını da sağlar. Benzer şekilde, yapı şarj sırasında ters reaksiyona girer ve ZnO’in metalik Zn’ya indirgenmesi daha düzgün şekilde gerçekleşir.

Parker, boşaltma sırasında çinkonun % 90’ı oksitlendiğinde bile, süngerin metalik çinko çekirdeğini koruduğunu belirtiyor. Ayrıca Parker, çekirdeğin elektrik akımlarını süngerin her tarafına eşit olarak dağıttığına ve fiziksel olarak dendritlerin oluşmasını zorlaştırdığına dikkat çekiyor.

Ekip, referans pillerde dendrit oluşumuna neden olan zorlayıcı akım koşullarında şarj ve deşarj arasında hızlı devirde çalışarak, bu çalışma ile sünger elektrotlarının bir Ni-Zn pilini koruduğunu keşfetti. Ayrıca, mikrohibrid araçlarının “start-stop” çalışmaları sırasında gereken onbinlerce döngüye rağmen dirençli bir pil de geliştirilmiş oldu.

Urbana-Champaign Illinois Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Kimya profesörü Paul V. Braun, “Oldukça uzun bir süreden beri, bu ekip ve diğerleri, şarj edilebilir pil performansını artırmak için 3 boyutlu yapısal elektrot kullanmaya çalışıyor” dedi.

Braun, NRL ekibinin “3-D elektrot yapısının beklendiği gibi yüksek güç sağladığını, ancak belki de şaşırtıcı bir şekilde dendritleri engellediğini ve dolayısıyla uzun ömürlü çok iyi bir döngüye sahip özellikle zorlayıcı bir sistem bulduğunu” belirtti. Braun “Bu keşif özellikle yararlıdır çünkü doğal olarak güvenli, dünyada bol miktarda bulunan ve nispeten yüksek enerji yoğunluklu nikel-çinko kimyası ile gerçekleştiriliyor” diye de ekliyor.

Kaynak : acs.org

Author

İnovatif Kimya Dergisi aylık olarak çıkan bir e-dergidir. Kimya ve Kimya Sektörü ile ilgili yazılar yazılmaktadır.