Lityum-iyon piller, günümüz elektrikli araç ve batarya enerji depolama sistemleri endüstrilerinde önde gelen tercihtir, ancak ekonomik ve ulusal güvenlik nedenleriyle kritik öneme sahip olan lityum, kobalt, nikel ve grafit gibi bir dizi önemli mineral içermektedir ve bu nedenle tedarik zinciri kesintilerine karşı savunmasızdır. Yenilenebilir enerji, elektrikli altyapı ve yüksek güçlü dijital teknolojiler büyümeye devam ettikçe, düşük maliyetli, bol kaynaklı ve hızlı şarj ve deşarj yapabilen enerji depolama sistemlerine olan ihtiyaç artmaktadır.
Bu ihtiyaç, MIT'de bulunan ve Nükleer Bilim ve Mühendislik (NSE) ile Malzeme Bilimi ve Mühendisliği bölümlerinde Güç Mühendisliği Carl Richard Soderberg Profesörü Ju Li tarafından yönetilen bir grup araştırmacıyı, tamamlayıcı enerji depolama çözümleri geliştirmeye teşvik etmiştir.
Özellikle sodyum-metal piller üzerinde çalışan ekip, bu pillerin birkaç çekici özelliği sunduğunu belirtiyor. Sodyum, lityumdan yaklaşık 1.000 kat daha bol ve kilogram başına maliyeti yaklaşık yüzte bir kadardır. Ancak, sodyum metalin yüksek reaktivitesi, bu pillerin hem uzun vadeli stabiliteyi hem de hızlı döngüyü başarmasını zorlaştıran bir ana zorluktur.
Bu ikilemin nasıl aşılabileceğini gösteren yeni bir makale, MIT ekibinin 15 üyesi tarafından yazılmış ve bu hafta Joule dergisinde çevrimiçi olarak yayımlanmıştır. Bu makalede, bu pil sistemi için doğru elektrolit bulunarak sorunun nasıl çözülebileceği gösterilmektedir.
İstenmeyen davranışlar sergileyen elektrolitler
Bir elektrolit, bir pilin negatif elektrodu (anot) ve pozitif elektrodu (katot) ile birlikte üç ana bileşeninden biridir. Elektrolit, iki elektrot arasında elektrikle yüklü iyonların hareket etmesine izin veren pilin “kanı” gibi davranır. “Elektrolit, bu iyonları sadece iletmekle yükümlüdür,” diyor Li. “Bir iyon iletkeni olmalıdır.” Ancak ne yazık ki, çoğu elektrolit, elektrotlarla istenmeyen kimyasal reaksiyonlara girer ve bu da pil stabilitesini büyük ölçüde zayıflatabilir.
Bu “yan reaksiyonların” sonuçları ciddi olabilir, diyor NSE'de doktora sonrası araştırmacı olan ve Joule makalesinin dört baş yazarı arasında yer alan Weiyin Chen. Reaksiyonlar sırasında üretilen çözünmez bileşikler, elektrotlarda birikerek iyon taşınmasını engelleyen bir bariyer oluşturabilir ve sonunda pilin arızalanmasına neden olabilir.
Chen, yakın zamana kadar, sodyum-metal pillerde kullanılan hiçbir elektrolitin, hem anot hem de katotta bu istenmeyen reaksiyonlara karşı tamamen stabil olmadığını belirtiyor; oysa böyle bir stabilite, şarj edilebilir pillerin uzun bir döngü ömrü elde etmesi için gereklidir. 2021'de, Li grubu ve işbirlikçileri, bir çözücü olarak kullanıldığında “lityum pillerde her iki elektrotda da sihirli bir şekilde stabil” olan bir “sülfonamid” molekülünü tanımladıklarında ilk bir atılım gerçekleşti. Bu molekül DMTMSA olarak bilinir.
Bu keşfin üzerine, Li ve meslektaşları, ilgili moleküllerin sodyum pillerini iyileştirip iyileştiremeyeceğini görmek için yola çıktılar. Amaç, sadece stabiliteyi korumak değil, aynı zamanda hızlı şarj ve deşarj sağlamaktı. Eğer şarj çok yavaşsa, yeniden şarj etmek tüm gece sürebilir ve eğer deşarj çok yavaşsa, pil gerektiğinde fazla güç veremez.
Çözücü nasıl karşıya geçti?
Chen, bu fikri bir benzetme ile açıklar: Farz edelim ki, bir yaya kalabalığı ile dolu bir caddeden geçmeniz gerekiyor, bu da bir elektrotla diğerine giden iyonlar gibi. “Küçük bir sırt çantası ile, vücudunuza sıkı bir şekilde oturan bir çantayla kalabalıkta daha hızlı hareket edebilirsiniz, büyük tekerlekli bir valiz sürüklemektense,” diyor Chen.
Pillerde benzer bir durum meydana gelir: Sodyum iyonları daha küçük çözücülerle çevrili olduğunda, daha büyük, hacimli çözücülerle çevrili olduklarından daha hızlı hareket edebilirler. Daha hızlı iyon taşınımı, daha hızlı şarj ve deşarj sağlar. Bu nedenle, ekibin amacı, iyon
