Çinko-Hava pilleri ile elektrikli arabalar 1450 km yol alabilir

Çinko-hava pilleri (Zinc-Air Batteries/ZABs), elektrikli araç ve giyilebilir cihaz uygulamalarında yüksek enerji/güç sağlama, hızlı şarj edilebilme ve daha güvenli olmaları nedeniyle gelecek vaat eden yeni nesil pil teknolojileri arasındadır. Bu piller benzersiz yapılara, uygun teorik enerji yoğunluklara, esnek elektrotlara ve doğal olarak sulu elektrotlara sahiptir. Diğer pillerde kullanılan malzemelerin yanı sıra çinko (Zn), doğaya daha az zarar verir ve doğada demir, nikel ve alüminyumdan sonra dünyada en fazla miktarda bulunan metaller arasındadır.

Güney Kore’de bulunan Hanyang Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, kısa süre önce piyasadaki diğer güç teknolojilerine göre daha iyi performans sağlayabilecek yeni bir çinko-hava pouch* hücreleri keşfettiler. Nature Energy’de yayınladıkları makalede¹ bu pouch hücrelerinde, katot olarak (101)-yüzeyli bakır fosfosülfür [CPS(101)], antifriz özellikli kitosan-biyoselülozik süper iyonik iletken elektrolitler ve anot olarak desenli çinko kullanılmıştır.

Jung-Ho Lee, “Daha önceki sıvı KOH elektrolitli çinko-hava pilleri başarısızlığa uğramıştır. Çünkü, yavaş ilerleyen oksijen oluşum ve indirgeme reaksiyonları geniş sıcaklık aralığında yan reaksiyonlara eşlik eden çinkonun geri dönüştürülememesidir.” demiştir. 

Jung-Ho Lee ve ekip arkadaşları tarafından önceden yürütülen çalışmalarda kullanılmış olan florobenzonitril (FBN) bazlı elektrolitler, oda sıcaklığında 64 mS/cm yüksek iyon iletkenliği göstermiştir. Bununla birlikte araştırmacılar, sıfırın altındaki sıcaklıklarda suyun donması ve yüksek sıcaklıklarda sıvı hacminin genleşmesindeki sorunlar nedeniyle çalışamadığını göstermişlerdir.

Araştırmacıların yazmış olduğu yeni makalelerinde, kitosan-bakteriyel-selüloziklerin (CBCs), anyon değişimli katı hal elektrolitleri olarak kullanılmasını önerdiler. Bu malzemeler, esas olarak biyo-selüloz, kitosan, 2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-oksil (TEMPO) ve 1,4-diazabisiklo[2.2.2]oktan (DBO) dörtlü çapraz bağlantılı şekilde sentezlemişlerdir.

Jung-Ho Lee: “Kullandığımız iki temel işlem (TEMPO oksidasyonu ve DBO dörtlü çapraz bağ) ile pillerin donma önleyici özelliklerini ve ayrıca şişmeye karşı dirençlerini, çapraz bağlanma uyumluluğunu ve iyon ayırt etme özelliklerini önemli ölçüde geliştirmiştir. Su CBC’lerin içinde de mevcut ve transfer ediliyor ancak formu sıvı değildir. Sonuç olarak, -20℃’de bile üstün pil performansı ve iyi bir stabilite elde edebiliriz.” dedi.

Lee ve ekibinin ürettiği CBC bazlı membran elektrolitleri, bir hidroksit çözelti karışımı kullanılarak iyon değişimine uğrar. Bu nedenle, daha geleneksel alkalin elektrolitlerden daha düşük bir pH değeri gözlemlenmiştir. Araştırmacılar tarafından hazırlanmış olan nano lifli CPS (101) leri özellikle pouch hücre uygulamaları için sentezlemişlerdir.

Araştırmacılar tarafından üretilen çinko-hava pouch hücreleri çalışırken, FBN membranı katı-elektrolit interfazı (SEI) oluşturamaması durumunda, CBC’ler daha üstün bir döngü ömrü sağlayan bir SEI katmanı oluşturdu. Bununla birlikte CBC’ler anot yüzeyini korozyondan ve yan reaksiyonlardan korumuştur. Bu durum, sulu elektrolitlere veya diğer katı hal elektrolitlere sahip pillere göre daha uzun döngü ömürleri sağlayabilir.

Lee: “Oda sıcaklığında kaydedilen üstün iletkenlik (86 mS/cm), hidroksit süperiyon iletkenleri için şimdiye kadar kaydedilmiş en iyi değerdir ve ticari A201 membranının iki katıdır. 5 µm kalınlığında, 900 cm² alana sahip CBC membranları, kuru ortamda -20℃’lik sıcaklıkta bile olağanüstü mekanik sağlamlıkla kalıba dökülebilirken FBN, A201 veya polisülfon membranlar kolaylıkla küçük parçalara ayrışabilir” şeklinde açıklama yapmıştır².

Yeni nesil çinko-hava pilleri; 300 W⋅s/kg, 75 USD kW/s enerji tüketimi, 15 dakikada %80 şarj edebilme kapasitesi ve geniş sıcaklık aralıklarında çalışabilmelidir^3,4. Bu gereksinimleri karşılayabilmek için araştırmacıların güvenli, elektrokimyasal/mekanik olarak kararlı, dünyada bol miktarda bulunan ve geri dönüşümü kolay malzemeleri kullanarak kurulmuş ve geniş sıcaklıklarda iyi işlev görebilmesini sağlamaları lazımdır.

Bu makalede Lee ve ekibi, ultra yüksek enerji yoğunluklu (460 Ws/kg ve 1389 Ws/l), ticari 1 amper saatlik, -20/80℃ sıcaklıklarında, 5-200 mA/cm² yüksek oran kapasitesi ile %20 deşarj derinliği için (depth of discharge-DOD) 6000 döngünün üzerinde ve %70 DOD için 1100 döngü sağlayan esnek çinko-hava pouch hücrelerini tanıttılar. 

Lee: “Pouch hücrelerinde, 25 mA/cm² akım yoğunluğunda %70 DOD ile 350 döngü sayısı için 523土15 W⋅s/kg (=1609土35 W⋅s/L) enerji yoğunluğu gözlemlenmiştir. Ayrıca yığın sayısını artırarak ∼20 Ah pouch hücre kapasitesinde hacimsel enerji yoğunluğunun ∼1800 W⋅s/L’e yükseltilebileceğini göstermiştir. Bu değerler, çinko-hava pouch hücre teknolojilerini kullanan arabalar için şarj başına ∼800-900 mil (maks 1450 km) menzil, 15 dakikada %100 şarj kapasitesi ve 1 milyon mil dayanıklılığı sunabilmektedir.”

*pouch: poşet, kese, torba

Kaynaklar

1. Shinde, S.S., Jung, J.Y., Wagh, N.K. et al.(2021). Ampere-hour-scale zinc–air pouch cells. Nat Energy. https://doi.org/10.1038/s41560-021-00807
2. https://techxplore.com/news/2021-05-zinc-air-pouch-cells.html
3. Liu, J. et al. (2019). Pathways for practical high-energy long-cycling lithium metal batteries. Nat. Energy 4, 180–186.
4. Liu, Y., Zhu, Y. & Cui, Y. (2019). Challenges and opportunities towards fast-charging battery materials. Nat. Energy 4, 540–550.