Katı elektrolitli yeni lityum metal pillerin geliştirilmesi, garip kısa devre ve arızalar nedeniyle yavaş olmuştur. Bu piller hafif, yanıcı, büyük bir enerji kapasitesine sahip ve son derece hızlı bir şekilde şarj edilebiliyor. Stanford Üniversitesi ve SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki araştırmacılara göre bu muammanın çözüldüğü bildiriliyor.
Araştırmanın kıdemli yazarı ve Mühendislik Fakültesi’nde malzeme bilimi ve mühendisliği ile yeni Stanford Doerr Sürdürülebilirlik Okulu’nda enerji bilimleri ve mühendisliği alanında doçent olan William Chueh, pillerin hafifçe girintilenmesi, bükülmesi veya burkulmasının bile malzemelerdeki nanoskopik çatlakların açılmasına ve lityumun katı elektrolitin içine girerek kısa devre yapmasına neden olabileceğini açıkladı.
Çalışmayı makine mühendisliği yardımcı doçenti Wendy Gu ile birlikte yöneten Chueh’e göre, “Üretimde bulunan toz veya diğer kirlilikler bile arızaya neden olacak kadar stres yaratabilir.”
Katı elektrolit arızası kapsamlı olarak araştırılmış bir sorundur. Kesin nedeni konusunda çok sayıda teori mevcuttur. Bazıları sorunu elektronların kasıtsız geçişine bağlarken, diğerleri kimyayı suçlamaktadır. Diğerleri ise birçok gücün iş başında olduğunu iddia etmektedir.
Araştırmanın başyazarları Geoff McConohy, Xin Xu ve Teng Cui, 30 Ocak’ta Nature Energy dergisinde yayımlanan makalelerinde mekanik stres ve nano ölçekli kusurların katı elektrolitlerin arızalanmasına nasıl katkıda bulunduğunu açıklıyor.
Bu zorluk, Stanford ekibinin şu anda araştırmakta olduğu gibi, yeni, katı elektrolit şarj edilebilir piller yaratmayı amaçlayan araştırmacılar tarafından çalışılabilir ve hatta kendi avantajlarına kullanılabilir. Enerji yoğun, hızlı şarj olabilen, yanıcı olmayan lityum metal piller, pek çok ek avantajın yanı sıra elektrikli otomobillerin yaygınlaşmasının önündeki başlıca engelleri de ortadan kaldırabilir.
Günümüzde kullanılan en iyi katı elektrolitlerin çoğu seramiktir. Enerji depolama aygıtı olarak görev yapan iki elektrodu fiziksel olarak ayırırlar ve lityum iyonlarının hızlı geçişine izin verirler. Yanmaz olmaları en önemli özellikleridir. Ancak tıpkı evlerimizdeki porselenler gibi mikroskobik yüzey kırılmalarına da maruz kalabilirler.
Araştırmacılar 60’tan fazla deneme yaparak seramiklerin sıklıkla nanoskopik çatlaklar, çukurlar ve yarıklar içerdiğini ve bunların çoğunun 20 nanometreden daha küçük olduğunu kanıtladılar. Chueh ve ekibine göre, hızlı şarj sırasında bu içsel çatlaklar görünür hale geliyor ve lityumun içeri girmesine izin veriyor.
Bilim insanları her deneyde katı bir elektrolite bir elektrik sondası bağlayarak küçük bir pil oluşturdular ve hızlı şarjı iş başında izlemek için bir elektron mikroskobu kullandılar. Daha sonra, lityumun neden bazı yerlerde istenildiği gibi seramiğin yüzeyinde toplanırken, diğerlerinde katı elektrolitle köprü kurup kısa devreye neden olana kadar kendini daha derine gömmeye başladığını araştırmak için bir neşter olarak bir iyon ışını kullandılar.
Farklılık basınçtadır. Batarya bir dakikadan daha kısa bir sürede şarj edilse bile, elektrik probu sadece dokunduğunda lityum elektrolit yüzeyinde harika bir şekilde birikir. Prob seramik elektrolite bastırdığında, girinti, bükülme ve bükülmenin mekanik kuvvetlerini simüle ederek pilin kısa devre yapma olasılığı daha yüksektir.
Katot-elektrolit-anot tabakaları, gerçekte bir katı hal pili oluşturmak için üst üste istiflenir. Katot ve anot, elektrolit tarafından fiziksel olarak birbirinden ayrılır, ancak lityum iyonlarının ikisi arasında serbestçe hareket etmesine izin verir. Katot ve anot temas ederse veya metalik bir lityum tüneli gibi herhangi bir şekilde elektriksel olarak bağlanırsa kısa devre meydana gelir.
Chueh ve meslektaşları tarafından gösterildiği üzere, elektrolit ile lityum anot arasındaki arayüzde bulunan en ufak bir bükülme, kıvrılma veya toz parçacığı bile görünmez çatlaklara yol açacaktır.
Geçen yıl Chueh’in laboratuvarında doktorasını tamamlayan ve şu anda endüstride çalışan McConohy’ye göre, lityum sonunda elektrolitin içinden geçerek katot ve anotu birleştirecek. “Bu gerçekleştiğinde pil başarısız oluyor.”
Araştırmacılar, yeni anlayışın çok sayıda örneğinin sağlandığını iddia etti. Saf, test edilmemiş elektrolitte gelişen çatlakları tespit edemeyen taramalı elektron mikroskopları, süreci filme almak için kullanıldı.
Xu’ya göre bu durum, kusursuz bir asfaltta çukur oluşmasına benziyor. Yağmur ya da kar yağdığında, araba lastikleri kaldırımdaki küçük kusurlara su basarak çatlakların büyümesine ve sonunda derinleşmesine neden olur.
Chueh’in grubunda doktora sonrası araştırmacı olan Xu, “Lityum esasen yumuşak bir malzemedir, ancak çukur benzetmesindeki su gibi, boşluğu genişletmek ve bir arıza yaratmak için tek gereken basınçtır” dedi.
Chueh’in ekibi, yeni anlayışları ışığında, bir demircinin üretim sırasında bir bıçağı tavlamasına benzer şekilde, üretim sırasında malzemeyi sertleştirmek için bu aynı mekanik gerilimleri kasıtlı olarak kullanmanın yollarını araştırıyor. Çatlakların oluşmasını engellemek ya da oluştuktan sonra onları yamamak için bilim insanları elektrolit yüzeyini kaplamayı da düşünüyor.
Gu’nun laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Cui, “Bu ilerlemelerin hepsi basit bir soruyla başlıyor: Neden? “Biz mühendislik alanında çalışıyoruz. Bir şeyin neden olduğunu bulmak yapabileceğimiz en önemli şey. Bunun farkına vardığımızda, iyileştirmeler yapabiliriz.
Kaynak: “Mechanical regulation of lithium intrusion probability in garnet solid electrolytes” 30 January 2023, Nature Energy.
