Lityum-iyon piller günlük hayatımızın vazgeçilmezleri haline gelmiştir. Yalnızca ilk döngüleri sırasında oluşan bir pasivasyon tabakası işlev görmelerini sağlar. Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü’ndeki (KIT) bilim insanlarının simülasyonlar aracılığıyla keşfettiği gibi, bu katı elektrolit ara fazı doğrudan elektrotta oluşmuyor. Bunun yerine, çözelti içinde kümelenmeler oluşturuyor. Araştırmaları Advanced Energy Materials dergisinde sunuldu. Elde ettikleri sonuçlar, gelecekte pillerin performansının ve kullanım ömrünün optimize edilmesini sağlayacak.
İster elektrikli araçlar ister akıllı telefonlar için olsun, mobil bir enerji kaynağına her ihtiyaç duyulduğunda, görevi bir lityum-iyon pil tamamlar. Katı elektrolit ara fazı, bu ve diğer sıvı elektrolit pillerin (SEI) güvenilir çalışması için çok önemlidir. İlk voltaj uygulaması bu pasivasyon tabakasının oluşmasına neden olur. Yüzeye yakın bir yerde elektrolit parçalanmaktadır. Ayrışma reaksiyonu yüzeyden sadece birkaç nanometre uzakta gerçekleşebildiğinden, elektrolitlerdeki partiküllerin elektrot yüzeyinde 100 nanometre kalınlığa kadar bir tabakayı nasıl oluşturduğu şimdiye kadar belirsizdi.
Her şarj döngüsü sırasında önemli ölçüde strese maruz kaldığından, anot yüzeyindeki pasivasyon tabakası bir lityum-iyon pilin elektrokimyasal kapasitesi ve ömrü için çok önemlidir. Bu işlem sırasında SEI’nin parçalanması sonucunda elektrolit daha da ayrışır ve pilin kapasitesi azalır, bu da pilin ömrünü kısaltır. Bir bataryanın özellikleri, SEI’nin evrimi ve bileşiminin doğru anlaşılmasıyla yönetilebilir. Ancak, SEI’nin çok büyük ölçekte ve çok sayıda boyutta gerçekleşen karmaşık büyüme süreçlerini çözmede hiçbir deneysel veya bilgisayar destekli yöntem başarılı olamamıştır.
Şimdi, KIT Nanoteknoloji Enstitüsü’ndeki (INT) araştırmacılar çok ölçekli bir yaklaşım kullanarak SEI’nin oluşumunu karakterize edebildiler. Gelecek için güvenli, uygun fiyatlı, uzun ömürlü, sürdürülebilir yüksek performanslı piller geliştirmeyi amaçlayan büyük ölçekli Avrupa araştırma girişimi BATTERY 2030+’da yer alan INT’deki “Çok Ölçekli Malzeme Modelleme ve Sanal Tasarım” araştırma grubunun direktörü Profesör Wolfgang Wenzel, “Bu, tüm sıvı elektrolit pillerin, özellikle de her gün kullandığımız lityum-iyon pillerin önemli bir parçasına ilişkin büyük gizemlerden birini çözüyor” diyor.
Çeşitli reaksiyon durumları için yaklaşık 50.000 simülasyon çalıştırıldı.
INT’teki araştırmacılar, sıvı elektrolit pillerin anodundaki pasivasyon tabakasının bileşimini ve gelişimini incelemek için çeşitli reaksiyon senaryolarını temsil eden 50.000’den fazla simülasyondan oluşan bir koleksiyon oluşturdu. Organik SEI’nin çözelti aracılı bir mekanizma ile büyüdüğünü keşfettiler. Elektrot yüzeyinden uzakta birleşmeden önce, doğrudan üretilen SEI öncülleri ilk olarak bir çekirdeklenme adımından geçmelidir. Çekirdeklerin daha sonraki hızlı gelişiminin bir sonucu olarak gözenekli bir tabaka elektrot yüzeyini kademeli olarak kaplar.
SEI bileşenlerinin yalnızca elektronların mevcut olduğu yüzeye yakın yerlerde oluşabileceği, ancak bu sınırlı bölge kaplandığında büyümelerinin duracağı paradoksal senaryo, keşiflerimizle çözüldü. INT’te doktora sonrası araştırmacı ve çalışmanın yazarlarından biri olan Dr. Saibal Jana şöyle açıklıyor: “SEI kalınlığını yöneten ana reaksiyon parametrelerini saptamayı başardık.
“Bu, gelecekte SEI’nin özelliklerini düzenleyen ve pil performansını ve ömrünü artıran elektrolitlerin ve uygun kimyasalların üretilmesini mümkün kılacaktır.”
Kaynak: techxplore.com/news
