Stanford Üniversitesi bilim adamları tarafından icat edilen lityum bazlı yeni batarya elektroliti, bataryalı elektrikli araçların önünü açabilir.
22 Haziran tarihinde Nature Energy’de yayınlanan bir çalışmada, Stanford araştırmacıları, yeni batarya elektroliti tasarımlarının, elektrikli araçlara, dizüstü bilgisayarlara ve diğer cihazlara güç vermek için umut verici bir teknoloji olan lityum metal pillerin performansını nasıl artırdığını gösteriyor.
SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nda malzeme bilimi ve mühendisliği ve foton bilimi profesörü Yi Cui, “Çoğu elektrikli otomobil, enerji yoğunluğu üzerindeki teorik sınırlarına hızla yaklaşan lityum iyon pillerle çalışıyor. Çalışmamız, lityum iyon pillerden daha hafif olan ve potansiyel olarak birim ağırlık ve hacim başına daha fazla enerji sağlayabilen lityum metal piller üzerinde yoğunlaştı.” dedi.
Lityum-iyon ve lityum metal
Akıllı telefonlardan elektrikli arabalara kadar her şeyde kullanılan lityum iyon pillerin iki elektrotları vardır – lityum içeren pozitif yüklü bir katot ve genellikle grafitten yapılmış negatif yüklü bir anot. Bir elektrolit çözeltisi, pil kullanıldığında ve şarj olduğunda lityum iyonlarının anot ile katot arasında ileri geri hareket etmesini sağlar.
Bir lityum metal pil, günümüzün geleneksel lityum iyon pilinden kilogram başına yaklaşık iki kat daha fazla elektrik tutabilir. Lityum metal piller bunu, grafit anodu önemli ölçüde daha fazla enerji depolayabilen lityum metal ile değiştirerek yapar.
“Lityum metal piller, ağırlık ve hacmin büyük bir endişe kaynağı olduğu elektrikli araçlar için çok umut vericidir,” diyor çalışma ortak yazarı Zhenan Bao, K.K. Mühendislik Fakültesi Lee Profesörü. “Ancak çalışma sırasında, lityum metal anot sıvı elektrolit ile reaksiyona girer. Bu, anodun yüzeyinde dendrit adı verilen lityum mikro yapılarının büyümesine neden olur ve bu da pilin yanmasına ve başarısız olmasına neden olabilir.”
Araştırmacılar dendrit sorununu çözmek için onlarca yıl harcadı. Kimya bölümü yüksek lisans öğrencisi başyazar Zhiao Yu. “Çalışmamızda, bu piller için yeni, kararlı elektrolitler tasarlamak ve üretmek için organik kimya kullanıyoruz.” dedi.
Yeni batarya elektroliti
Çalışma için, Yu ve meslektaşları, kararlılık sorunlarını piyasada bulunan yaygın bir sıvı elektrolit ile ele alıp alamayacaklarını araştırdılar.
Yu, “Elektrolit molekülüne flor atomları eklemenin sıvıyı daha kararlı hale getireceğini varsaydık” dedi. “Flor, lityum piller için elektrolitlerde yaygın olarak kullanılan bir elementtir. Lityum metal anodun elektrolitte iyi çalışmasını sağlayan yeni bir molekül yaratmak için elektronları çekme yeteneğini kullandık.”
Sonuç, dökme halde kolayca üretilebilen yeni bir sentetik bileşik olan FDMB olarak kısaltılmıştır.
“Elektrolit tasarımları çok egzotik oluyor. Bazıları iyi bir söz verdiler, ancak üretimi çok pahalı. Zhiao’nun ortaya çıkardığı FDMB molekülünün üretimi büyük miktarda ve oldukça ucuz. ” dedi Bao.
‘İnanılmaz performans’
Stanford ekibi yeni elektroliti lityum metal pille test etti.
Sonuçlar çarpıcıydı. Deneysel batarya 420 şarj ve deşarj döngüsünden sonra ilk şarjının yüzde 90’ını korudu. Laboratuvarlarda, tipik lityum metal piller yaklaşık 30 döngüden sonra çalışmayı durdurur.
Araştırmacılar ayrıca, lityum iyonlarının “kulombik verim” olarak bilinen bir özellik olan şarj etme ve boşaltma sırasında anot ile katot arasında ne kadar verimli bir şekilde aktarıldığını da ölçtüler.
“1.000 lityum iyon şarj ederseniz, şarj olduktan sonra ne kadarını geri alıyorsunuz?” Dedi Cui. “İdeal olarak yüzde 100’lük bir kulombik verimlilik için 1.000 üzerinden 1.000’i istenir. Ticari olarak ürünü sunabilmek için bir pil hücresinin en az yüzde 99.9 oranında bir kulombik verime ihtiyacı vardır. Çalışmamızda yarım hücrelerde yüzde 99,52 ve tam hücrelerde yüzde 99,98; inanılmaz bir performans.”
Anot içermeyen pil
Tüketici elektroniğinde potansiyel kullanım için, Stanford ekibi anot içermeyen lityum metal pil hücrelerinde FDMB elektrolitini de test etti.
Malzeme bilimi ve mühendisliği yüksek lisans öğrencisi yardımcı yazar Hans Hansen, “Fikir, ağırlığı azaltmak için sadece katot tarafında lityum kullanmaktır. Anot içermeyen pil, kapasitesi yüzde 80’e düşmeden önce 100 devir çalıştırıldı- 500 ila 1.000 devire kadar eşdeğer bir lityum iyon pil kadar iyi olmasa da en iyi performans gösteren anot içermeyen hücrelerden biri.” dedi.
Bao, “Bu sonuçlar çok çeşitli cihazlar için umut veriyor. Hafif, anot içermeyen piller, dronlar ve diğer birçok tüketici elektroniği için çekici bir özellik olacaktır.” dedi.
Elektrikli otomobiller hakkında en son haberleri almak ve Elektrik, Elektronik, Enerji konularında bilimsel makalelere erişmek için Twitter, Facebook ve Linkedin’de 3emobil’i takip edin. Güncel yayınlar hakkında email almak için sitemize abone olun.