Yeni Mn-bazlı katot ile lityum pillerde kapasite ve ömür artıyor

Günümüzde lityum iyon pillerde yüksek enerji yoğunluğu elde etmek için kullanılan nikel ve kobalt bazlı katotlar, yüksek maliyetleri ve çevresel açıdan dezavantajlarından dolayı alternatiflerinin araştırılması gerekmektedir. Taşınabilir ve sabit enerji depolama pazarlarındaki sürekli artan talepleri karşılayabilmek için lityum iyon pillerde yeni ve sürdürülebilir çözümler geliştirilmesi artık kaçınılmazdır. Bu amaçla araştırmacılar, mangan (Mn) bazlı O₂–tipi bir katot malzemesi geliştirdi. Manganez bazlı oksitler düşük maliyetli ve termal açıdan kararlı olsalar da, genellikle zayıf döngü kararlılığı ve geri döndürülemez yapısal değişimler gibi problemlere sahiptir. Özellikle kapasite artışında kilit rol oynayan oksijen redoks kimyası, istenmeyen oksijen salınımı ve faz geçişleri nedeniyle kararlılığını kaybedebilmektedir.¹

Sejong Üniversitesi liderliğindeki araştırmacılar, Na-bazlı öncüllerden iyon değişimi yöntemiyle Li₀.₇₅[Li₀.₁₅Ni₀.₁₅Mn₀.₇]O₂ formülüne sahip O₂-tipi katmanlı bir oksit sentezledi. Geliştirilen bu yapı, katmanlar arasındaki lityum iyon göçünü optimize eden petek benzeri bir düzen sayesinde hem yüksek enerji yoğunluğuna (956 Wh kg⁻¹) hem de uzun süreli yapısal bütünlüğe ulaştı. Elektrokimyasal testlerde malzeme, 284 mAh g⁻¹ deşarj kapasitesiyle birlikte 500 döngü sonunda %70 oranında kapasite koruma başarısı gösterdi. Araştırmacılar, bu yüksek performansın ardındaki mekanizmayı ileri operando analiz teknikleri kullanarak doğruladı. Bulgular, malzemenin şarj/deşarj döngüleri boyunca oksijen redoks tepkimelerini geri dönüşümlü bir şekilde sürdürebildiğini ortaya koydu. Çalışmanın kıdemli yazarı Dr. Myung, “O₂ tipi yapıyı dikkatlice tasarlayarak oksijen redoks mekanizmasını kararlı hale getirmeyi başardık; böylece hem uzun ömürlülük hem de güvenlik sağladık” ifadelerini kullandı.²

Yeni Mn- bazlı katotların yüksek performansının sırrı grafikte de görüldüğü gibi oksijen redoks kimyasi.Fakat bu bazı sorunları da beraberinde getiriyor.Oksijenin reaksiyona katılması kapasiteyi arttırsada, kontrol edilememesi durumunda kristal yapıda kalıcı olarak oksijen gazı salınımına yol açabilir. Bu gaz çıkışı, pilin şişmesine ve termal güvenliğinin tehlikeye girmesine neden olabilir. Bu nedenle araştırmacılar, Nive Li koordinasyonunu nanometre ölçeğinde ayarlayarak oksijen reaksiyonunu tamamen geri dönüşümlü yapmaya odaklanmış durumda. Bu mekanizma tam olarak stabilize edilebilirse, bu iddialı katot malzemeleri maliyet, uzun süreli stabilite ve güvenlik gibi ticari beklentileri giderince artan talepleri karşılayabilir.²

Yeni geliştirilen Mn-bazlı O₂-tipi katot, yüksek enerji yoğunluğu, uzun döngü ömrü ve gelişmiş termal kararlılığı bir araya getirerek özellikle elektrikli araçlar, şebeke ölçekli enerji depolama sistemleri ve taşınabilir elektronik cihaz hale gelmiştir.³ Bu gelişme, kobalt kullanımını azaltarak pil üretiminde hem ekonomik hem çevresel sürdürülebilirlik açısından önemli bir dönüm noktası oluşturabilir.

Kaynaklar

1. Aslan, B., Ateş, E., Gözüaçık, M., Karabacak, T., Köknar, A., Örs, G., … & Avcı, S. (2015). Mn Katkısının LiCoO2 Katot Aktif Maddesinin Yapısı ve Morfolojisine Olan Etkileri. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 15(3), 1-6.
2. Yu, J. H., Köster, K., Voronina, N., Kim, S., Shin, H. J., Kim, K. S., … & Myung, S. T. (2025). Elevating Li-ion battery paradigms: sophisticated ionic architectures in lithium-excess layered oxides for unprecedented electrochemical performance. eScience, 100376.
3. https://techxplore.com/news/2025-10-mn-based-cathode-capacity-stability.html