Michigan Üniversitesi’nin araştırmasına göre, lityum-iyon bataryaların pozitif elektrotlarındaki çatlaklar sadece sorun yaratmakla kalmıyor, aynı zamanda bataryaların şarj sürelerini de kısaltıyor.
Bu durum, batarya ömrünü kısalttığı için çatlamayı azaltmaya çalışan birçok elektrikli araç üreticisinin felsefesine ters düşüyor.
Birçok işletme çatlamayan parçacıklara sahip ‘milyon mil’ bataryalar yaratmakla ilgileniyor. Ancak, malzeme bilimi ve mühendisliği araştırmacılarından Yiyang Li’ye göre, çatlakların sağladığı ek yüzey alanı olmadan, pil parçacıkları hızlı bir şekilde şarj olamayacaktır.
“Yolculuk sırasında bir aracın şarj olması için beş saat beklemek istemiyoruz. Hedeflediğimiz şarj süresi 15 ila 30 dakika.
Araştırmaya göre, pozitif elektrodu veya katodu lityum nikel manganez kobalt oksit veya lityum nikel kobalt alüminyum oksitten oluşan milyarlarca mikroskobik parçacıktan oluşan tüm elektrikli araç akülerinin yarısından fazlasının araştırmadan etkileneceği düşünülüyor.
Parçacıkların yüzey/hacim oranı katodun ne kadar hızlı şarj olacağını belirleyecektir. Daha yüksek yüzey alanı/hacim oranı ve lityum iyonları için daha kısa difüzyon mesafeleri nedeniyle, daha küçük parçacıklar daha büyük olanlardan daha hızlı şarj olmalıdır.
Öte yandan, geleneksel teknikler yalnızca pili oluşturan tüm katot parçacıklarının şarj özelliklerinin ortalamasını ölçebilmektedir. Bu kısıtlama nedeniyle, şarj hızı ile katot parçacık boyutunun ilişkili olduğuna dair yaygın kanı sadece bir varsayımdan ibaretti.
Li’nin grubunda çalışan malzeme bilimi ve mühendisliği doktora öğrencisi Jinhong Min, “Katot parçacıklarının çatladığını ve lityum iyonlarını almak için daha aktif yüzeylere sahip olduğunu bulduk – sadece dış yüzeylerinde değil, parçacık çatlaklarının içinde de” dedi. Batarya bilimcileri çatlamanın gerçekleştiğinin farkındalar, ancak bunun şarj hızını nasıl etkilediğini değerlendirmediler.
Li ve Min, katotları parçalamanın faydasını bulmak amacıyla tek tek katot parçacıklarının şarj hızını ölçmek için genellikle sinirbilimciler tarafından bireysel beyin hücrelerinin elektriksel uyarıları nasıl aldığını araştırmak için kullanılan bir sistem kullandılar.
Tek tek nöronları araştırmak için kullandıkları diziler, ben henüz yüksek lisans okulundayken bir sinirbilimci meslektaşım tarafından bana gösterilmişti. Pil parçacıkları boyut olarak nöronlara benzediğinden, Li aynı yöntemleri kullanarak onları incelemenin mümkün olup olmayacağını sorguladı.
Her bir dizi, 100’e kadar mikroelektrot içeren 2’ye 2 santimetrelik bir çipten oluşuyor. Min, çipin merkezine birkaç katot parçacığı saçtıktan sonra tek tek parçacıkları dizi üzerindeki kendi elektrotlarına aktarmak için insan saçından yaklaşık 70 kat daha ince bir iğne kullandı. Parçacıklar yerlerine yerleştirildikten sonra Min, dizi üzerinde bir seferde dört farklı parçacığı eş zamanlı olarak şarj ve deşarj edebildi ve bu araştırmada 21 parçacık gözlemledi.
Deney, katot parçacıklarının şarj oranlarının boyutlarından bağımsız olduğunu göstermiştir. Li ve Min’e göre, bu beklenmedik davranışın en olası açıklaması, daha büyük parçacıklar çatladığında, aslında bir grup küçük parçacık gibi çalıştıklarıdır.
Bir başka teori de, katot parçacığını oluşturan nano ölçekli kristalleri ayıran küçük alanlar olan tane sınırlarının, lityum iyonlarının çok hızlı hareket ettiği yerler olduğudur.
Li, lityum iyonlarının içinde hareket ettiği sıvı ortam olan elektrolit bu sınırları zorlayıp çatlaklar oluşturmadıkça bunun gerçekleşmesinin olası olmadığına inanıyor.
Kırılmayan tek kristalli parçacıklarla uzun ömürlü piller inşa ederken, çatlaklı malzemelerin avantajlarını hesaba katmak hayati önem taşıyor. Bu parçacıkların daha hızlı şarj olabilmesi için günümüzde kullanılan çatlayan katot parçacıklarından daha küçük olması gerekebilir. Li, bu malzemelerin daha düşük enerji yoğunluklarına sahip olabileceği veya kritik metallerin mevcudiyeti ile kısıtlanabileceği konusunda uyarsa da, lityumu daha hızlı aktarabilen çeşitli malzemelerden tek kristalli katotlar yapmak bir olasılıktır.
Kaynak: techxplore.com/news/2023-08-lithium-ion-batteries-electric-vehicle.html
