Yeni Madde Daha İyi ve Güvenli Pillere Zemin Hazırlayabilir

Ağaçlardan elde edilen bir madde yeni nesil pillerde sıvı elektrolitlerin yerini alabilir

Daha güvenli çalışacak ve daha çok enerji verecek pillerin arayışında, araştırmacılar günümüzde lityum iyon pillerde yaygın olarak kullanılan sıvıları katı maddeler ile değiştirmek için çalışmalar yapıyorlar. Şu an, Brown Üniversitesi ve Maryland Üniversitesinden bir araştırma takımı beklenmedik bir kaynak olan ağaçlardan türetilen, katı hal pilleri için yeni bir madde geliştirdi.

Nature dergisinde yayımlanan araştırmada, ekip bakır ile selüloz nanofiberleri (odundan türetilen polimer tüpler) birleştirerek bir katı iyon kondüktörü gösteriyor. Araştırmacılara göre, kağıt kadar ince maddenin diğer polimer iyon kondüktörlerden 10’dan 100 kata kadar daha iyi bir iletkenliği var. Hem katı pil elektrodu olarak veya hem de tüm katı hal pil katodu için iyon kondüktör bağlayıcı olarak kullanılabilir.

Maryland Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümünden Prof. Liangbing Hu “Bakır ile tek boyutlu selüloz nanofibrislerini bir araya getirerek, normalde iyon-izole edici selülozların polimer zincirlerde daha hızlı bir lityum iyon taşınımı vaat ettiğini gösterdik” şeklinde açıkladı. “Hatta, katı polimer elektrotları arasında bu iyon kondüktörün yüksek iyonik iletkenlik rekoru kırdığını bulduk.” Şeklinde ekledi.

Bu çalışma Brown’un Mühendislik okulundaki bir Prof. Olan Yue Qi ve Hu’nun laboratuvarı arasında bir iş birliğidir.

Telefondan arabalara neredeyse her alanda kullanılan bugünün lityum iyon pilleri, sıvı organik bir çözücüde çözünmüş lityum tuzundan yapılan elektrolitlere sahiptir. Elektrolitin görevi bir pilin anot ve katotu arasında lityum iyonlarını iletmektir. Sıvı elektrotlar çok iyi çalışmasına rağmen bazı dezavantajları vardır. Yüksek akımlarda, dendrit adı verilen lityum metalinin küçücük filamentleri elektrolit içinde oluşarak kısa devrelere sebep olabilir. Ek olarak, toksik ve alevlenir kimyasaldan yapılan elektrolitler yanabilir.

Katı elektrolitlerin dendrit oluşumunu önleme potansiyeli vardır ve alevlenir olmayan malzemelerden yapılabilirler. Şu ana kadar en çok incelenen katı elektrotlar, iyonları iletmekte iyi olan ancak aynı zamanda kalın, sert ve kırılgan olan seramik malzemelerdir. Üretimde olabileceği gibi şarj etme ve şarjın bitmesi gibi durumlar sırasında gerilimler, kırılmalar ve çatlamalara yol açabilir.

Malzeme bu çalışmada tanıtıldığı gibi, ince ve esnektir, neredeyse bir sayfa kağıt gibidir. Ve iletkenliği seramiklerle eşdeğer düzeydedir.

Brown’da doçent araştırmacı Qi ve Qisheng Wu, bakır-selüloz malzemenin neden iyonları bu kadar iyi iletebildiğini anlamak için mikroskobik yapının bilgisayar simülasyonlarını gerçekleştirmişlerdir. Modelleme çalışması, normalde sıkıca doldurulmuş yığınlar halinde olan selüloz polimer zincirleri arasındaki boşluğu bakırın arttırdığını ortaya çıkartmıştır. Genişlemiş boşluk oluşumları lityum iyonlarının göreceli olarak engelsiz bir şekilde hızlıca geçip gideceği miktarda süper otoyollar yaratır.

Qi “Lityum iyonlarının yüksek iyon iletkenliğine izin veren, tipik olarak inorganik seramiklerde bulunan mekanizmalar yoluyla organik katı elektrotlarda hareket ederler.” Şeklinde açıkladı. “Doğanın sunduğu malzemeleri kullanmak pil üretiminin çevreye olan genel kötü etkisini azaltacaktır.” Şeklinde ekledi.

Ek olarak, katı elektrot olarak çalışabilen yeni malzeme ayrıca katı hal pili için katot bağlayıcı olarak  çalışabilir. Katotların, anotların kapasitesi ile eşleşebilmesi için yapısal olarak daha kalın olmaları gerekmektedir. Ancak bu kalınlık, iyon iletkenliğinden feragat ederken verimliliği azaltır. Ekip, yeni malzemeyi bağlayıcı olarak kullanmanın bildirilen en kalın fonksiyonel katot olduğuna inanıyorlar.

Araştırmacılar, yeni malzemenin katı hal pil teknolojisi piyasasını bir adım öne taşıdığı konusunda umutlu.

Brown Üniversitesindeki araştırma Ulusal Bilim Kuruluşu tarafından desteklenmiştir (DMR-2054438).

Kaynak: sciencedaily.com