Lityum-Sülfür piller ezber bozabilir, yeni bir dönemin kapılarını aralayabilir

Bir Argonne Ulusal Laboratuvarı araştırma ekibi, lityum-sülfür pillerde sülfür katodun çözünmesini önlemek için yeni bir ara katman oluşturdu ve test etti. Bu yeni ara katman hücre kapasitesini artırıyor ve yüzlerce döngü boyunca koruyor.

Lityum pillerle ilgili yapılan son araştırmayla ilgili makale Nature Communications dergisinde yayımlandı. Piller, cep telefonlarından akıllı saatlere ve sayıları giderek artan elektrikli araçlara kadar günlük hayatın büyük bir kısmına enerji sağlıyor. Bu cihazların çoğu lityum-iyon pil teknolojisi olarak bilinen iyi bilinen pil kimyasını kullanıyor. Lityum-iyon piller ilk piyasaya sürüldüklerinden bu yana uzun bir yol kat etmiş olsalar da, kısa ömür, aşırı ısınma ve belirli hammaddeler için tedarik zinciri zorlukları gibi bazı tanıdık dezavantajları da var.

ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim insanları, batarya yapımında yeni malzemeleri test ederek bu sorunlara çözüm arıyor. Bu malzemelerden biri de sülfür. Sülfür son derece bol ve uygun maliyetli ve geleneksel iyon bazlı pillerden daha fazla enerji tutabilir.

Yeni çalışmada araştırmacılar, sülfür bazlı batarya araştırmalarını, batarya içinde enerji depolama kapasitesi ekleyen bir katman oluşturarak ve sülfür bataryalarda korozyona neden olan geleneksel bir sorunu neredeyse ortadan kaldırarak geliştirdiler.

Argonne’un Gelişmiş Foton Kaynağı’nda ışın hattı bilimcisi olan Wenqian Xu, “Bu sonuçlar, redoks aktif bir ara katmanın Li-S pil gelişimi üzerinde büyük bir etkisi olabileceğini gösteriyor. Bu teknolojiyi günlük hayatımızda görmeye bir adım daha yaklaştık.”

Gelecek vaat eden pil tasarımı, sülfür içeren bir pozitif elektrot (katot) ile bir lityum metal negatif elektrotu (anot) eşleştiriyor. Bu bileşenlerin arasında elektrolit ya da iyonların pilin iki ucu arasında geçmesini sağlayan madde yer alıyor.

İlk lityum-sülfür (Li-S) aküler, sülfür türlerinin (polisülfürler) elektrolit içinde çözünerek korozyona neden olması nedeniyle iyi performans göstermedi. Bu polisülfit mekik etkisi pil ömrünü olumsuz etkiliyor ve pilin yeniden şarj edilme sayısını azaltıyor.

Bu polisülfit mekiklemesini önlemek için, önceki araştırmacılar katot ve anot arasına redoks-inaktif bir ara katman yerleştirmeyi denediler. “Redoks-inaktif” terimi, malzemenin bir elektrotta olduğu gibi reaksiyonlara girmediği anlamına geliyor. Ancak bu koruyucu ara katman ağır ve yoğun, bu da pil için birim ağırlık başına enerji depolama kapasitesini azaltıyor. Ayrıca mekiklemeyi de yeterince azaltmaz. Bu durum, Li-S bataryaların ticarileştirilmesinin önünde büyük bir engel teşkil etti.

Araştırmacılar bu sorunu çözmek için gözenekli sülfür içeren bir ara katman geliştirdi ve test etti. Laboratuvarda yapılan testler, aktif olmayan ara katman yerine bu aktif ara katmana sahip Li-S hücrelerinde başlangıç kapasitesinin yaklaşık üç kat daha yüksek olduğunu gösterdi. Daha da etkileyici olanı, aktif ara katmana sahip hücreler 700 şarj-deşarj döngüsü boyunca yüksek kapasiteyi korudu.

Argonne kimyagerlerinden ve makalenin ortak yazarlarından Guiliang Xu şunları söyledi: “Redoks-aktif katmana sahip hücrelerle yapılan önceki deneyler yalnızca mekik etkisini bastırdı, ancak bunu yaparken, katman fazladan ağırlık eklediği için belirli bir hücre ağırlığı için enerjiden feragat ettiler. Buna karşın, bizim redoks-aktif katmanımız enerji depolama kapasitesine katkıda bulunuyor ve mekik etkisini bastırıyor.”

Redoks-aktif katmanı daha fazla incelemek için ekip, Argonne’un Gelişmiş Foton Kaynağı’nın 17-BM ışın hattında deneyler gerçekleştirdi. Bu katmana sahip hücrelerin X-ışını ışınlarına maruz bırakılmasından elde edilen veriler, ekibin ara katmanın faydalarını tespit etmesini sağladı.

Veriler, redoks-aktif bir ara katmanın mekiklemeyi azaltabileceğini, batarya içindeki zararlı reaksiyonları azaltabileceğini ve bataryanın daha fazla şarj tutma ve daha fazla döngü boyunca dayanma kapasitesini artırabileceğini doğruladı.

Wenqian Xu şunları söyledi: “Bu sonuçlar, redoks aktif bir ara katmanın Li-S pil gelişimi üzerinde büyük bir etkisi olabileceğini gösteriyor. Bu teknolojiyi günlük hayatımızda görmeye bir adım daha yaklaştık.”

Ekip ileride redoks-aktif ara katman teknolojisinin büyüme potansiyelini değerlendirmek istiyor. Guiliang Xu, “Bunu çok daha ince, çok daha hafif hale getirmeye çalışmak istiyoruz” dedi.