Bilim adamları, hacmini koruyan elektrot malzemesi geliştiriyor ve katı hal EV pilleri için ideal hale getiriyor...

 

Elektrikli otomobiller, geleneksel otomobilleri daha çevre dostu bir alternatifle değiştirmek için en iyi seçeneğimiz olarak kabul edilmektedir. Bununla birlikte, elektrikli otomobiller ve diğer elektrikli araçlar büyük olasılıkla şu anda gerekli performansı ve dayanıklılığı makul bir fiyata sağlamayan lityum-iyon pillerle çalışacaktır.

Bununla birlikte, katı hal pilleri (SSB'ler), alternatif arayan araştırmacılar arasında son birkaç yılda çok fazla çekiş kazanmıştır. Geleneksel lityum-iyon piller, şarj / deşarj işlemi sırasında lityum iyonlarının aktığı sıvı bir elektrolit içerirken, SSB'ler tamamen katı malzemelerden yapılır. Operasyonel güvenlikte büyük bir iyileşmenin yanı sıra - bu piller delindiğinde toksik sıvıları dökmeyeceğinden - SSB'ler çok daha hızlı şarj edilebilir.

Ancak şimdiye kadar, SSB'lerde dayanıklılıklarını sınırlayan çözülmemiş bir sorun vardı. Lityum iyonları pilin elektrotlarına yerleştirildiğinde veya pilden çıkarıldığında, malzemenin kristalin yapısı değişir ve elektrotun genişlemesini veya küçülmesini sağlar. Hacimdeki bu tekrarlanan değişiklikler, elektrotlar ve katı elektrolit arasındaki arayüze zarar verir ve elektrotların kristal kimyasında geri dönüşü olmayan değişikliklere neden olur.

Bu çerçevede, Japonya'daki Yokohama Ulusal Üniversitesi'nden Profesör Naoaki Yabuuchi liderliğindeki bir bilim adamı ekibi, SSB'lerde benzeri görülmemiş bir stabiliteye sahip yeni bir pozitif elektrot malzemesi türünü araştırdı. Nature Materials'da yayınlanan çalışmaları, UNSW Sidney, Avustralya'dan Doçent Neeraj Sharma ve LIBTEC, Japonya'dan Dr. Takuhiro Miyuki tarafından ortaklaşa yazıldı.

Araştırma ekibinin odaklandığı materyal, optimize edilmiş lityum titanat (Li 2 TiO₃) ve lityum vanadyum dioksit (LiVO₂) kısımlarından oluşan ikili bir sistem olan Li₈/7 Ti 2/7 V_4/7O₂ idi. Nanometre sırasına göre uygun bir parçacık boyutuna kadar bilyalı öğütüldüğünde, bu malzeme, şarj / boşaltma işlemi sırasında geri dönüşümlü olarak yerleştirilebilen ve çıkarılabilen büyük miktarda lityum iyonu sayesinde yüksek kapasite sunar.

Diğer pozitif elektrot malzemelerinin aksine, Li₈/7 Ti 2/7 V_4/7O₂, onu öne çıkaran özel bir özelliğe sahiptir: tamamen şarj edildiğinde ve tamamen boşaltıldığında neredeyse aynı hacme sahiptir. Araştırmacılar bu özelliğin kökenini analiz ettiler ve lityum iyonları kristalden eklendiğinde veya çıkarıldığında ortaya çıkan iki bağımsız fenomen arasındaki ince bir dengenin sonucu olduğu sonucuna vardılar.

Bir yandan, lityum iyonlarının çıkarılması veya 'delitiasyon', kristaldeki serbest hacimde bir artışa neden olur ve bu da onu küçültür. Öte yandan, bazı vanadyum iyonları orijinal konumlarından lityum iyonlarının geride bıraktığı boşluklara göç eder ve bu süreçte daha yüksek bir oksidasyon durumu elde eder. Bu, oksijenle itici bir etkileşime neden olur ve bu da kristal kafesin genişlemesini sağlar.

Prof. Yabuuchi, "Büzülme ve genleşme iyi dengelendiğinde, batarya şarj olurken veya boşalırken, yani bisiklet sürerken boyutsal stabilite korunur" diyor.

"Gerçekten boyutsal olarak değişmez bir malzemenin - elektrokimyasal döngü üzerindeki hacmini koruyan bir malzemenin - elektrolitin kimyasal bileşimini daha da optimize ederek geliştirilebileceğini tahmin ediyoruz."

Araştırma ekibi, bu yeni pozitif elektrot malzemesini, uygun bir katı elektrolit ve negatif bir elektrot ile birleştirerek tamamen katı hal hücresinde test etti. Bu hücre, 400 şarj / deşarj döngüsü boyunca bozulma olmadan 300 mA.h / g'lık olağanüstü bir kapasite sergiledi.

"400 döngünün üzerinde kapasite azalmasının olmaması, bu malzemenin katmanlı malzemelere sahip geleneksel tüm katı hal hücreleri için bildirilenlere kıyasla üstün performansını açıkça göstermektedir. Bu bulgu, pil maliyetlerini önemli ölçüde azaltabilir. Pratik yüksek performanslı katı hal pillerinin geliştirilmesi, gelişmiş elektrikli araçların geliştirilmesine de yol açabilir "diye açıklıyor Prof. Sharma.

Boyutsal olarak değişmez elektrot malzemelerini daha da rafine ederek, fiyat, güvenlik, kapasite, şarj hızı ve kullanım ömrü açısından elektrikli araçlar için yeterince iyi olan pilleri üretmek yakında mümkün olabilir.

Prof. Yabuuchi, "Uzun ömürlü ve yüksek performanslı katı hal pillerinin geliştirilmesi, elektrikli araçların bazı sorunlarını çözecektir" diyor.

"Gelecekte, örneğin, elektrikli bir aracı beş dakika gibi kısa bir sürede tamamen şarj etmek mümkün olabilir."

Araştırmacılar, bu alanda elektrikli otomobillerin benimsenmesini hızlandıracak ve gezegen için daha yeşil bir gelecek inşa etmeye yardımcı olacak daha fazla ilerleme görmek istiyorlar.

 

KAYNAKLAR

https://www.eurekalert.org/news-releases/973650?utm_campaign=DonanimHaber&utm_medium=referral&utm_source=DonanimHaber