Lityum-iyon piller (LiB’ler) şu anda dünya çapında en yaygın kullanılan şarj edilebilir pillerdir ve sayısız taşınabilir elektroniğin yanı sıra hibrit ve elektrikli araçlara da güç sağlar. Diğer şarj edilebilir pillere göre, özellikle yüksek enerji yoğunlukları gibi önemli avantajlara sahip oldukları bilinmesine rağmen, mühendisler bunların kararlılığını, güvenliğini ve dayanıklılığını daha da geliştirmeye çalışıyorlar.
Hong Kong Çin Üniversitesi’ndeki araştırmacılar yakın zamanda LiB’ler için yeni elektrolitler tasarlamak için umut verici bir strateji başlattılar. Yayınlanan bir makalede ana hatları verilen bu stratejiyi kullanmak Doğa Enerjisiyüksek voltajlı LiB’lerin dayanıklılığını artırırken aynı zamanda aşırı ısınma ve yangın riskini azaltabilecek yeni bir elektrolit geliştirdiler.
Makalenin kıdemli yazarı Yi-Chun Lu, CEİD’a şöyle konuştu: “Bu çalışmanın ilham kaynağı basit ama sıklıkla gözden kaçan bir fikirden geldi.”
“Elektrolit çalışmalarının çoğu elektrokimyasal davranışa (iyonların nasıl hareket ettiği ve reaksiyona girdiği) odaklanır, ancak her kimyasal reaksiyon aynı zamanda ısı emilimini veya salınmasını da içerir; bu hepimizin temel kimyada öğrendiği bir şeydir. Bu bizi meraklandırdı: Pil reaksiyonlarını bunun yerine termal bir perspektiften inceleseydik ne olurdu? Sonuçta, ısı üretimi ve birikimi pillerdeki birçok güvenlik sorununun merkezinde yer alıyor.”
LiB hücresinin içindeki sıcaklık önemli ölçüde arttığında pil alev alabilir, hatta patlayabilir. Son çalışmalarının bir parçası olarak Lu ve meslektaşları, elektrokimyasal reaksiyonların pillerdeki ısı üretimiyle nasıl bağlantılı olduğunu daha iyi anlamak için yola çıktılar; çünkü bu, daha güvenli ve özünde kararlı piller tasarlamalarına yardımcı olabilir.
Lu, “Çalışmamızın arkasındaki itici güç, termal güvenliğin kimyasal köklerine değinmekti” diye açıkladı. “Pil araştırmasında, bir parametreyi optimize etmek çoğu zaman diğerinin pahasına olur. Bu biraz tahterevalli üzerinde dengelemeye benzer: bir ucun iyileştirilmesi çoğu zaman diğer tarafa yön verir. Daha yüksek performans için çabaladığımızda güvenlik genellikle tehlikeye girer ve bunun tersi de geçerlidir. Amacımız bu uzun süredir devam eden ödünleşimi kırmaktı.”
Daha güvenli LiB’ler oluşturmak için iki solvent kullanma
Pillerin performansını artırmak için enerji mühendisleri genellikle pillerin temel bileşenleri arasındaki oda sıcaklığındaki kimyasal reaksiyonları araştırır. Bunun aksine güvenliklerini arttırmak için bileşenlerin yüksek sıcaklıklarda istenmeyen şekillerde tepki vermesini engellemeye çalışırlar.
Lu ve meslektaşlarının son çalışmasının temel amacı, farklı sıcaklıklarda farklı davranışlar sergileyen, oda sıcaklığında stabilitesini koruyan ve yüksek sıcaklıklarda pilin alev almasını önleyen bir elektrolit tasarlamaktı. Bunu başarmak için, farklı özelliklere sahip iyonları serbest bırakmak için LiB’lerdeki lityum tuzlarını çözen maddeler olan iki farklı çözücüyü karıştırdılar.
Lu, “Sıcaklık arttıkça, bir çözücü, lityum iyonunu diğerine etkili bir şekilde ‘aktarıyor’ (tıpkı bir bayrak yarışı gibi), elektrolitin yapısının ve reaktivitesinin sıcaklıkla birlikte değişmesine izin veriyor” dedi. “Bu solvent röle elektrolitini ticari kuru hücrelere aşıladık ve bunları ticari karbonat bazlı elektrolitler kullanan hücrelerle karşılaştırdık.”
Yeni, termal olarak kararlı bir elektrolit
Araştırmacılar, önerilen stratejilerini kullanarak yeni bir elektrolit oluşturdular ve bunları daha sonra kese hücreleri olarak bilinen, yaygın olarak kullanılan bir LiB hücre türünde test ettiler. Özellikle, ortaya çıkan hücrelerin mükemmel elektrokimyasal performans ve termal stabilite sergilediğini buldular.
Hücrelerin güvenliğini daha fazla değerlendirmek için Lu ve meslektaşları, bir pil hücresinin delinebileceği ve potansiyel olarak bir patlamaya veya yangına yol açabileceği gerçek dünya senaryosunu taklit eden çivi penetrasyon testi adı verilen bir test gerçekleştirdi. Dikkat çekici bir şekilde, pilin sıcaklığı delindikten sonra yalnızca yaklaşık 3,5 °C artarken, ticari kese hücreleri 500 °C’lik sıcaklıkları aştı.
Lu, “Çalışmamız pil güvenliğini elektrolit perspektifinden ele alıyor ve bunun büyük bir pratik potansiyele sahip olduğuna inanıyoruz” dedi.
“Geliştirdiğimiz elektrolit, pil yapısını yeniden tasarlamadan mevcut ticari kuru hücrelere doğrudan aşılanabilir, bu da onu mevcut üretim süreçleriyle son derece uyumlu hale getirir. Performansını, yüksek enerji yoğunluğuyla bilinen, aynı zamanda yangına veya patlamaya yol açan termal kaçak eğilimiyle bilinen nikel açısından zengin üçlü (NCM) lityum iyon pillerde gösterdik.”
Güvenli yüksek enerjili LiB’lerin önünü açmak
Bu araştırmacılar tarafından ortaya konulan strateji, yakında LiB’lerin termal stabilitesini ve güvenliğini daha da artırabilecek diğer umut verici elektrolitleri tasarlamak için kullanılabilir. Bu da LiB’lerin enerji yoğunluğunun daha da artmasına yardımcı olarak elektronik ve elektrikli araçların pil ömrünü güvenliklerinden ödün vermeden uzatabilir.
Lu, “Gerçekte, bir pildeki her bileşen (katot, ayırıcı ve anot) pilin genel davranışını belirlemede çok önemli bir rol oynar” diye ekledi.
“Bu bileşenleri özel olarak uyarlayarak, performanstan ödün vermeden kapsamlı güvenlik elde etmeyi hedefliyoruz. Ayrıca, yaklaşımımızı lityum iyon sistemlerinin ötesine genişleterek, aynı içsel güvenlik ilkelerinin uygulanabileceği sodyum iyonu ve yeni ortaya çıkan diğer kimyaları keşfediyoruz.
“Uzun vadeli hedefimiz, farklı enerji depolama teknolojilerinde güvenli, yüksek enerjili piller için genel bir tasarım çerçevesi oluşturmaktır.”
Yazarımız Ingrid Fadelli tarafından sizin için yazılan, Sadie Harley tarafından düzenlenen ve Robert Egan tarafından doğrulukları kontrol edilen ve gözden geçirilen bu makale, insanların dikkatli çalışmasının sonucudur. Bağımsız bilim gazeteciliğini canlı tutmak için sizin gibi okuyuculara güveniyoruz. Bu raporlama sizin için önemliyse lütfen bağış yapmayı düşünün (özellikle aylık). Bir alacaksın reklamsız bir teşekkür olarak hesaplayın.
