Yeni Yaklaşım, Lityum Pillerin Enerji Kapasitesini Arttırabilir
Fotoğraf : Moleküler diyagram, lityum-kükürt bataryaları için yeni katot türünü oluşturmak için kullanılan malzemelerden biri olan molibden sülfitin yapısını gösterir.
Dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, güçlü, ancak günümüzün sürümlerinden daha küçük ve daha hafif olan, potansiyel olarak elektrikli otomobillerin daha fazla seyahat etmesine veya taşınabilir elektronik cihazların şarj edilmeden daha uzun süre çalışmasına olanak tanıyan piller arayışı içindeler. Şimdi, MIT ve Çin’deki araştırmacılar, bu alanda büyük bir ilerleme kaydettiklerini söylüyorlar, lityum piller için yeni bir bileşen olan, katot.
Ekip, konseptini “hibrit” bir katot olarak tanımlamaktadır, çünkü daha önce kullanılan iki farklı yaklaşımın yönlerini birleştirir, biri pound başına enerji çıktısını (gravimetrik enerji yoğunluğu), diğeri litre başına enerji (volümetrik enerji yoğunluğu). Bu sinerjik kombinasyonun, ikisinin faydalarını hatta daha fazlasını sağlayan bir sürüm ürettiğini söylüyorlar.
Çalışma bugün Nature Energy dergisinde, MIT nükleer bilimi ve mühendisliği ve malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü Ju Li, MIT araştırmacısı Weijiang Xue ve diğer 13 kişi tarafından yazılan bir makalede tanıtıldı.
Günümüzün lityum-iyon pilleri bir geçiş metali oksitten yapılan katotları (bir bataryadaki iki elektrottan biri) kullanma eğilimindedir, ancak kükürtten yapılan katotlara sahip bataryaların ağırlığı azaltmak için ümit verici bir alternatif olduğu düşünülmektedir. Bugün, lityum-kükürt bataryaların tasarımcıları bir takasla karşı karşıya.
Bu tür bataryaların katotları, genellikle interkalasyon tipleri veya dönüşüm tipleri olarak bilinen iki yoldan biriyle yapılır. Lityum kobalt oksit gibi bileşikler kullanan interkalasyon tipleri, yüksek hacimsel enerji yoğunluğunu sağlar – yüksek yoğunlukları nedeniyle hacim başına çok miktarda güç içerir. Bu katotlar, kristal yapılarına lityum atomları eklerken yapılarını ve boyutlarını koruyabilirler.
Dönüşüm türü olarak adlandırılan diğer katot yaklaşımı, yapısal olarak dönüştürülen ve hatta elektrolitte geçici olarak çözülen kükürt kullanır. Li, “Teorik olarak, bu [piller] çok iyi gravimetrik enerji yoğunluğuna sahip” diyor. “Ancak hacimsel yoğunluk düşüktür”, çünkü kısmen iletkenliği sağlamak için kullanılan fazla miktarda elektrolit ve karbon da dahil birçok fazladan malzeme gerektirme eğilimindedirler.
Yeni hibrit sistemlerinde araştırmacılar, iki yaklaşımı, hem Chevrel-faz adı verilen bir tür molibden sülfiti hem de her ikisinin de en iyi yönlerini sağladığı görünen saf kükürtü birleştiren yeni bir katotu oluşturacak şekilde kombinlemeyi başardılar. İki maddenin parçacıklarını kullandılar ve katı katodu yapmak için onları sıkıştırdılar. Li, “Bu, patlayıcı, hızlı hareket eden ve ağırlık başına daha yüksek enerjiye sahip olan bir astar ve TNT gibidir” diyor.
Diğer avantajların yanı sıra, birleştirilmiş malzemenin elektrik iletkenliği nispeten yüksektir, bu nedenle karbon ihtiyacını azaltır ve toplam hacmi azaltır, diyor Li. Tipik kükürt katotları yüzde 20 ila 30 karbondan oluştuğunu söylüyor, ancak yeni sürüm sadece yüzde 10 karbona ihtiyaç duyuyor.
Yeni malzemenin kullanılmasının net etkisi büyüktür. Günümüzün ticari lityum-iyon pilleri, kilogram başına yaklaşık 250 watt saat ve litre başına 700 watt saat enerji yoğunluğuna sahipken, lityum-kükürt piller kilogram başına yaklaşık 400 watt-saatte, ancak litre başına sadece 400 watt-saat değerindedir. Li, yeni versiyonunda, yani henüz bir optimizasyon sürecinden geçmemiş olan ilk versiyonunda, kilogram başına 360 watt-saatten ve litre başına 581 watt-saatten daha fazlasına ulaşabildiğini söylüyor. Bu enerji yoğunluklarının kombinasyonu açısından hem lityum-iyon hem de lityum-kükürt bataryalarını yenebilir.
Daha fazla çalışarak, “Lityum iyonunkine eşit olan bu rakamla“ kilogram başına 400 watt-saat ve litre başına 700 watt-saat alabileceğimizi düşünüyoruz ”diyor. Zaten, takım büyük ölçekli bir batarya prototipi geliştirmeyi amaçlayan birçok laboratuvar deneyinden bir adım öteye gitti. Yalnızca birkaç miliamper saatlik kapasiteye sahip küçük madeni para hücrelerini test etmek yerine, üç katmanlı bir kese hücresi ürettiler (elektrikli araçlar gibi ürünler için bataryaların standart alt ünitesi) 1.000 miliamper-saatten daha fazla kapasiteye sahip. Bu, yeni cihazın öngörülen özelliklerine uygun olduğunu gösteren bazı ticari pillerle karşılaştırılabilir.
Şimdiye kadar, yeni hücre, kullanılamayacak kadar fazla güç kaybetmeden önce yaşayabildiği şarj-deşarj döngüsü sayısı bakımından lityum-iyon pillerin ömrünü tam olarak karşılayamıyor. Ancak Li bu sınırlama “katodun sorunu değil” genel hücre tasarımı ile ilgili ve “bunun üzerinde çalışıyoruz” diyor. Şimdiki erken formunda bile, “Bu, hem ağırlığın hem de hacmin uzun ömürlülükten daha önemli olduğu bazı“ niş uygulamalarında, uzun menzilli bir dron gibi faydalı olabilir ”diyor.
Li, “Bunun araştırma için yeni bir arena olduğunu düşünüyorum” diyor.
Kaynak : sciencedaily.com
