Şarj edilebilir piller, elektrikli araçlar ve taşınabilir cihazlar gibi yeni nesil pek çok teknolojik ürünün çok önemli bir bileşenidir. Bu nedenle pillerin güvenlik, şarj süresi, enerji kapasitesi ve dayanıklılık gibi özelliklerinin sürekli bir şekilde geliştirilmesine ihtiyaç duyuluyor. Günümüzde kullanılan en iyi lityum-iyon piller yüz altmış yıllık bir geçmişi olan kurşun-asit pillerin yaklaşık altı katı kadar enerji depolama kapasitesine sahip. Son teknolojik gelişmelerle birlikte lityum-iyon pillerin enerji yoğunlukları bir miktar daha artırılabildi. Lityum-metal piller ise günümüzün en iyi teknolojisi ile üretilen lityum-iyon pillere oranla iki kattan daha fazla enerji yoğunluğu taşıyabiliyor. Bu nedenle lityum-metal pillerin kullanımının önündeki engeller bilim insanlarınca aşılmaya çalışılıyor.
Lityum-metal pillerin kullanımı ve yaygınlaşmasının önündeki başlıca engeller pilin dolum sürecinden kaynaklanıyor, bu nedenle şimdiye kadarki uygulamaları laboratuvar ortamından öteye taşınamadı. Son elli yıllık süreçte lityum-metal pillerle ilgili çalışmalar yapılmış ve bazı gelişmeler sağlanmış olsa da tüm bunlar lityum-iyon pillerin yerine geçmelerini sağlayacak düzeyde değildi.
Lityum-iyon pillerde anot görevini grafit yaparken lityum-metal pillerde ise bu görevi metalik lityum gerçekleştiriyor. Lityum kullanılan pillerde problemin çıkış kaynağı da tam burası. Anot çevresindeki elektrolitin Li+ iyonu derişimi bölgeden bölgeye farklılıklar gösteriyor ve bu yüzden şarj esnasında lityum iyonları anot yüzeyinde eşit olmayan bir şekilde birikiyor. Buna bağlı olarak anot üzerinde dendritik (dallanmış kristal) yapılar oluşuyor. Dendrit oluşumuna bağlı olarak iyon derişimleri azalıyor ve pil kısa sürede işlevini yerine getiremez hale geliyor.
Araştırmacıların geliştirdiği cihaz pile entegre ediliyor ve yaydığı ultrason dalgalarıyla anot ile katot arasında bulunan elektrolitin sirkülasyonunu sağlıyor. Böylece lityum-metal pillerde pil şarj edilirken düşük performansa ve kısa devrelere sebep olan dendritlerin oluşması önleniyor.
California Üniversitesi-San Diego'dan araştırmacılar lityum-metal pillerin içerisine yerleştirdikleri çok küçük bir cihaz sayesinde bu pillerin kullanımının önündeki engeli aşmış görünüyorlar. Ultrasonik dalgalar yayan bu cihaz aynca tüm bataryalarda kullanılabilme potansiyeli taşıyor. Yapılan çalışmanın sonuçlan kısa süre önce Advanced Materials dergisinde yayımlandı.
Cihaz tasarlanırken cep telefonlarında kullanılan ve yüksek frekanslarda ses dalgalan üretebilen bir parçadan esinlenildi. Mobil telefonlarda kullanılan bu ultrason dalga yayıcı parça kablosuz hücresel sinyalleri, sesli arama lan ve verileri filtreleme görevini gerçekleştiriyor. Cihaz, bir parçası olarak pile entegre ediliyor ve anot ile katot arasındaki elektrolitin iyon dağılımını ultrasonik dalgalar yayarak düzenliyor. Bu işlem şarj sırasında lityum-metal pillerde düşük performansa ve kısa devrelere yol açan dendritlerin oluşumunu önlüyor.
Dendritler yalnızca anot ve katot arasındaki ayın hücreye nüfuz ederek ciddi güvenlik sorunlarına yol açmakla kalmıyor aynı zamanda lityum ve elektroliti tüketerek pilin yük kapasitesinin de düşmesine neden oluyorlar. Ultrason cihazları bazı kimyasal süreçlerde sıvıları karıştırmak ve iyon dağılımını homojen hale getirmek için uzun zamandır kullanılıyordu. Ancak bu cihazlar büyük, ağır ve elektrokimyasal süreçlere uyumsuz olmaları yüzünden lityum-metal pillerde kullanılmak için uygun değillerdi. Araştırmacıların geliştirdiği cihaz ise çok küçük boyutlanna nazaran yüksek güç yoğunluğuna sahip olup ayni zamanda elektrokimyasal süreçlerle uyumluluk gösteriyor.
Araştırmada LifePO4 katot olarak, lityum metali ise anot olarak kullanıldı. Karbonat bazlı elektrolit kullanılan deneylerde dolum ve boşaltım akımları elektrot boyutuna göre hesaplandı. Ultrason dalga yayıcı cihaz, pil şarj edilirken çalıştırıldı ve görevini gerçekleştirdikten sonra pilin boşaltılması süresince devre dışı bırakıldı.
Çalışmada, cihazla donatılmış lityum-metal pilde 250, lityum-iyon pilde ise 2000'den fazla şarj-deşarj döngüsü gerçekleştirildi. Piller her bir döngüde 10 dakikada tamamen şarj edilebildi. Denemeler sonunda lityum-metal pillerin başlangıç kapasitesinin % 82'sini koruduğu bildirildi. Bu başarının yanında diğer bir önemli nokta da bu teknolojinin herhangi bir kimyasal pil modeli üzerinde kullanıIabilecek potansiyele sahip olması. Bu basit teknolojiden yararlanılarak mevcut ve gelecekteki pil teknolojilerinin verimliliği ve sürdürülebilirliği geliştirilebilir.
Makalenin baş yazan An Huang oldukça küçük ölçeklerde çalışmanın ve cihazı pile entegre etmenin uygun bir yolunu bulmanın araştırmanın en zor tarafını oluşturduğunu belirtiyor. Araştırmacılardan Haodong Liu ise bir sonraki adımın geliştirdikleri bu teknolojiyi ticari lityum-iyon pillere entegre etmek olacağım vurguluyor.
Sıvı elektrolitli pillerdeki iyonların elektrot yüzeylerinde birikerek derişimlerinin azalması ve dendritik yapıların oluşması sorunlarını başarılı bir şekilde önleyen araştırma ekibi, geliştirdikleri basit ancak etkili teknoloji sayesinde mevcut ve gelecekteki uygulamaların büyük çoğunluğu için kullanılabilecek verimli ve sürdürülebilir şarjlı piller elde edilmesinin de yolunu açtılar. Hızlı bir şekilde şarj edilebilen ve daha fazla enerji kapasitesine sahip bu pillerin kullanımı teknolojik ürünlerin enerji ihtiyacım etkili bir şekilde karşılayacak gibi görünüyor.
Alıntıdır. Kaynak: Bilim ve Teknik Dergisi, Nisan 2020, Yıl 53, Sayı 629, Tekno-Yaşam, Sayfa 52, 53, Yeni Enerji Kaynağı lityum-Metal Piller Olabilir
Lityum-metal pillerin kullanımı ve yaygınlaşmasının önündeki başlıca engeller pilin dolum sürecinden kaynaklanıyor, bu nedenle şimdiye kadarki uygulamaları laboratuvar ortamından öteye taşınamadı. Son elli yıllık süreçte lityum-metal pillerle ilgili çalışmalar yapılmış ve bazı gelişmeler sağlanmış olsa da tüm bunlar lityum-iyon pillerin yerine geçmelerini sağlayacak düzeyde değildi.
Lityum-iyon pillerde anot görevini grafit yaparken lityum-metal pillerde ise bu görevi metalik lityum gerçekleştiriyor. Lityum kullanılan pillerde problemin çıkış kaynağı da tam burası. Anot çevresindeki elektrolitin Li+ iyonu derişimi bölgeden bölgeye farklılıklar gösteriyor ve bu yüzden şarj esnasında lityum iyonları anot yüzeyinde eşit olmayan bir şekilde birikiyor. Buna bağlı olarak anot üzerinde dendritik (dallanmış kristal) yapılar oluşuyor. Dendrit oluşumuna bağlı olarak iyon derişimleri azalıyor ve pil kısa sürede işlevini yerine getiremez hale geliyor.
Araştırmacıların geliştirdiği cihaz pile entegre ediliyor ve yaydığı ultrason dalgalarıyla anot ile katot arasında bulunan elektrolitin sirkülasyonunu sağlıyor. Böylece lityum-metal pillerde pil şarj edilirken düşük performansa ve kısa devrelere sebep olan dendritlerin oluşması önleniyor.
California Üniversitesi-San Diego'dan araştırmacılar lityum-metal pillerin içerisine yerleştirdikleri çok küçük bir cihaz sayesinde bu pillerin kullanımının önündeki engeli aşmış görünüyorlar. Ultrasonik dalgalar yayan bu cihaz aynca tüm bataryalarda kullanılabilme potansiyeli taşıyor. Yapılan çalışmanın sonuçlan kısa süre önce Advanced Materials dergisinde yayımlandı.
Cihaz tasarlanırken cep telefonlarında kullanılan ve yüksek frekanslarda ses dalgalan üretebilen bir parçadan esinlenildi. Mobil telefonlarda kullanılan bu ultrason dalga yayıcı parça kablosuz hücresel sinyalleri, sesli arama lan ve verileri filtreleme görevini gerçekleştiriyor. Cihaz, bir parçası olarak pile entegre ediliyor ve anot ile katot arasındaki elektrolitin iyon dağılımını ultrasonik dalgalar yayarak düzenliyor. Bu işlem şarj sırasında lityum-metal pillerde düşük performansa ve kısa devrelere yol açan dendritlerin oluşumunu önlüyor.
Dendritler yalnızca anot ve katot arasındaki ayın hücreye nüfuz ederek ciddi güvenlik sorunlarına yol açmakla kalmıyor aynı zamanda lityum ve elektroliti tüketerek pilin yük kapasitesinin de düşmesine neden oluyorlar. Ultrason cihazları bazı kimyasal süreçlerde sıvıları karıştırmak ve iyon dağılımını homojen hale getirmek için uzun zamandır kullanılıyordu. Ancak bu cihazlar büyük, ağır ve elektrokimyasal süreçlere uyumsuz olmaları yüzünden lityum-metal pillerde kullanılmak için uygun değillerdi. Araştırmacıların geliştirdiği cihaz ise çok küçük boyutlanna nazaran yüksek güç yoğunluğuna sahip olup ayni zamanda elektrokimyasal süreçlerle uyumluluk gösteriyor.
Araştırmada LifePO4 katot olarak, lityum metali ise anot olarak kullanıldı. Karbonat bazlı elektrolit kullanılan deneylerde dolum ve boşaltım akımları elektrot boyutuna göre hesaplandı. Ultrason dalga yayıcı cihaz, pil şarj edilirken çalıştırıldı ve görevini gerçekleştirdikten sonra pilin boşaltılması süresince devre dışı bırakıldı.
Çalışmada, cihazla donatılmış lityum-metal pilde 250, lityum-iyon pilde ise 2000'den fazla şarj-deşarj döngüsü gerçekleştirildi. Piller her bir döngüde 10 dakikada tamamen şarj edilebildi. Denemeler sonunda lityum-metal pillerin başlangıç kapasitesinin % 82'sini koruduğu bildirildi. Bu başarının yanında diğer bir önemli nokta da bu teknolojinin herhangi bir kimyasal pil modeli üzerinde kullanıIabilecek potansiyele sahip olması. Bu basit teknolojiden yararlanılarak mevcut ve gelecekteki pil teknolojilerinin verimliliği ve sürdürülebilirliği geliştirilebilir.
Makalenin baş yazan An Huang oldukça küçük ölçeklerde çalışmanın ve cihazı pile entegre etmenin uygun bir yolunu bulmanın araştırmanın en zor tarafını oluşturduğunu belirtiyor. Araştırmacılardan Haodong Liu ise bir sonraki adımın geliştirdikleri bu teknolojiyi ticari lityum-iyon pillere entegre etmek olacağım vurguluyor.
Sıvı elektrolitli pillerdeki iyonların elektrot yüzeylerinde birikerek derişimlerinin azalması ve dendritik yapıların oluşması sorunlarını başarılı bir şekilde önleyen araştırma ekibi, geliştirdikleri basit ancak etkili teknoloji sayesinde mevcut ve gelecekteki uygulamaların büyük çoğunluğu için kullanılabilecek verimli ve sürdürülebilir şarjlı piller elde edilmesinin de yolunu açtılar. Hızlı bir şekilde şarj edilebilen ve daha fazla enerji kapasitesine sahip bu pillerin kullanımı teknolojik ürünlerin enerji ihtiyacım etkili bir şekilde karşılayacak gibi görünüyor.
Alıntıdır. Kaynak: Bilim ve Teknik Dergisi, Nisan 2020, Yıl 53, Sayı 629, Tekno-Yaşam, Sayfa 52, 53, Yeni Enerji Kaynağı lityum-Metal Piller Olabilir
