Harvard'ın John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu araştırmacıları, en az 6.000 kez şarj edilip boşaltılabilen ve birkaç dakika içinde yeniden şarj edilebilen yeni bir lityum metal pil geliştirdi. Bu, diğer tüm poşet pil hücrelerinden daha fazla döngü sayısı ve şarj hızı anlamına geliyor.

Araştırma, lityum metal anotlu katı hal pilleri yapmak için yeni bir yol tanımlamakla kalmıyor, aynı zamanda bu potansiyel olarak devrim niteliğindeki piller için kullanılan malzemelere ilişkin yeni bir anlayış sunuyor.

Araştırma raporu Nature Materials dergisinde yayımlandı.

Araştırma ekibinin kıdemli yazarı Xin Li, "Lityum metal anotlu piller, ticari grafit anotların on katı kapasiteye sahip oldukları ve elektrikli araçların sürüş mesafesini büyük ölçüde artırabilecekleri için pillerin kutsal kasesi olarak kabul ediliyor" dedi. "Araştırmamız, endüstriyel ve ticari uygulamalar için daha pratik katı hal pillerine doğru atılmış önemli bir adımdır."

Dendritlerin Önlenmesi

Bu pillerin tasarımındaki en büyük zorluklardan biri anot yüzeyinde dendritlerin oluşmasıdır. Bu yapılar elektrolitin içinde kök gibi büyüyerek anot ve katotu ayıran bariyeri deler ve pilin kısa devre yapmasına hatta alev almasına neden olur.

Dendritler, şarj sırasında lityum iyonları katottan anoda doğru hareket ederek kaplama adı verilen bir işlemle anot yüzeyine yapıştığında oluşur. Anot üzerindeki kaplama, dişlerdeki plak gibi düzensiz, homojen olmayan bir yüzey oluşturur ve dendritlerin kök salmasına izin verir.

Deşarj edildiğinde, bu plak benzeri kaplamanın anottan sıyrılması gerekir ve kaplama düzensiz olduğunda, sıyırma işlemi yavaş olabilir ve bir sonraki şarjda daha da düzensiz kaplamaya neden olan çukurlarla sonuçlanabilir.

Silikon Parçacıkları Kullanımı

Li ve ekibi, lityumlaşma reaksiyonunu daraltmak ve kalın bir lityum metal tabakasının homojen bir şekilde kaplanmasını kolaylaştırmak için anotta mikron boyutunda silikon parçacıkları kullanarak dendritlerin oluşmasını engelliyor.

Bu tasarımda, şarj sırasında lityum iyonları katottan anoda doğru hareket ettiğinde, lityumlaşma reaksiyonu sığ yüzeyde kısıtlanır ve iyonlar silikon parçacığın yüzeyine tutunur ancak daha fazla nüfuz etmez.

Bu, lityum iyonlarının derin lityumlaşma reaksiyonu yoluyla nüfuz ettiği ve nihayetinde anottaki silikon parçacıklarını yok ettiği sıvı lityum iyon pillerin kimyasından belirgin bir şekilde farklıdır.

Ancak, katı hal bataryasında, silikonun yüzeyindeki iyonlar daraltılır ve silikonun çekirdeği etrafında lityum metal kaplama oluşturmak için dinamik lityasyon sürecinden geçer.

Li, "Bizim tasarımımızda lityum metali silikon parçacığın etrafına sarılıyor, tıpkı bir çikolatalı trüfte fındık çekirdeğinin etrafındaki sert çikolata kabuğu gibi" dedi. Bu kaplanmış parçacıklar, akım yoğunluğunun eşit olarak dağıtıldığı homojen bir yüzey oluşturarak dendritlerin büyümesini önlüyor.

Hızlı Şarj

Kaplama ve sıyırma işlemi eşit bir yüzeyde hızlı bir şekilde gerçekleşebildiğinden, pil yalnızca yaklaşık 10 dakika içinde yeniden şarj edilebiliyor.

Araştırmacılar, çoğu üniversite laboratuvarında üretilen madeni para pilinden 10 ila 20 kat daha büyük olan pilin posta pulu boyutunda bir kese hücresi versiyonunu inşa ettiler. Pil, 6.000 döngüden sonra kapasitesinin %80'ini koruyarak bugün piyasada bulunan diğer kese hücreli pillerden daha iyi performans gösterdi.

Teknolojinin Geliştirilmesi

Teknoloji, Harvard Teknoloji Geliştirme Ofisi aracılığıyla Li ve üç Harvard mezunu tarafından ortaklaşa kurulan bir Harvard yan şirketi olan Adden Energy'ye lisanslandı.

Şirket, akıllı telefon boyutunda bir poşet pil üretmek için teknolojiyi ölçeklendirdi.

Yeni Malzemelerin Geliştirilmesi

Li ve ekibi ayrıca silikonun, kalın lityumun homojen kaplanmasını destekleyen dinamik süreci kolaylaştırmak için lityumun difüzyonunu kısıtlamasına izin veren özellikleri de karakterize etti.

Daha sonra böyle bir süreci tanımlamak için benzersiz bir özellik tanımlayıcısı tanımladılar ve bunu bilinen tüm inorganik malzemeler için hesapladılar.

Ekip bunu yaparken, potansiyel olarak benzer performans sağlayabilecek düzinelerce başka malzemeyi ortaya çıkardı.

Li, "Önceki araştırmalar, gümüş de dahil olmak üzere diğer malzemelerin katı hal pilleri için anotta iyi malzemeler olarak hizmet edebileceğini bulmuştu" dedi. "Araştırmamız, sürecin altında yatan olası bir mekanizmayı açıklıyor ve pil tasarımı için yeni malzemeleri tanımlamak için bir yol sağlıyor."

Sonuç

Harvard araştırmacılarının çalışması, lityum metal anotlu katı hal pillerin geliştirilmesinde önemli bir ilerlemedir. Bu yeni pillerin, daha uzun ömürlü ve daha hızlı şarj edilebilir olması, elektrikli araçlar, taşınabilir elektronikler ve diğer uygulamalar için daha uygun hale getirmektedir.

Pillerin Gelecekteki Gelişimi

Li ve ekibi, pillerin performansını daha da iyileştirmek için çalışmaya devam ediyor. Hedefleri, pillerin döngü sayısını 10.000'e veya daha fazlasına ve şarj hızını 5 dakikanın altına düşürmek.

Araştırmacılar ayrıca, pillerin maliyetini düşürmenin yollarını da arıyorlar. Bu, pillerin daha geniş bir uygulama yelpazesine ulaşmasını sağlayacaktır.

Kısacası, Harvard araştırmacılarının çalışması, lityum metal anotlu katı hal pillerin geleceğini parlak gösteriyor.