Michigan Üniversitesi’nde yapılan bir araştırma lityum-iyon pillerin pozitif elektrodundaki çatlakların zararlı olmaktan çok pilin şarj süresini azaltarak pozitif bir etkisi olduğunu göstermiştir. Bu durum pilin ömrünü azalttığı düşüncesiyle çatlamayı en aza indirmeye çalışan birçok elektrikli araç üreticisinin görüşüne aykırı bir durumdur.
Malzeme Bilimi Mühendisliği profesörü, Enerji ve Çevre Bilimi dergisinde yayınlanan çalışmanın ilgili yazarı Yiyang Li, “Birçok şirket çatlamayan parçacıklar kullanarak menzil ömrü çok fazla olan piller yapmakla ilgileniyor. Fakat parçacıklar üzerindeki çatlaklar giderilirse, pil parçacıkları bu çatlaklardan ekstra yüzey alanı sağlayamayacak. Bu nedenden dolayı hızlı bir şekilde şarj edilemeyecek. Bizler yolculukta bir arabanın şarj olması için beş saat beklemek istemiyoruz. 15 veya 30 dakika içinde şarj etmek istiyoruz” dedi.
Li’nin ekibi, bu bulguların pozitif elektrot katodun lityum nikel manganez kobalt oksit Li(Ni,Mn,Co)O2 (NMC) veya lityum nikel kobalt alüminyum oksitten Li(Ni,Co,Al)O2 (NCA) yapılmış trilyonlarca mikroskobik parçacıktan (çatlak) oluştuğunu ve bunun tüm elektrikli araç pillerinin çoğunda geçerli olduğunu söylüyorlar.
Teorik olarak katot şarjlarının hızı, parçacıkların yüzey-hacim oranıyla alakalıdır. Hacme göre daha yüksek bir yüzey alanına sahip olduklarından dolayı küçük parçacıklar büyük parçacıklara göre daha hızlı şarj edilir. Bu nedenle lityum iyonlarının aralarında yayılmak için daha kısa mesafeleri vardır.
Bununla birlikte eski yöntemler, tek tek katot parçacıklarının şarj özelliklerini doğrudan ölçemez. Sadece pilin katodunu oluşturan tüm parçacıkların ortalamasını ölçebilir. Bu işlem, yaygın olarak bilinen şarj hızı ile katot parçacık boyutu arasındaki ilişkinin sadece varsayım olduğu anlamına gelir. Aynı zamanda, daha kısa difüzyon uzunlukları ve daha yüksek yüzey alanı-hacim oranları nedeniyle küçük parçacıkların büyük parçacıklara oranla daha hızlı şarj olup boşaldığını da ifade eder.
Li’nin laboratuvarında çalışan doktora öğrencisi Jinhong Min, “Katot parçacıklarının lityum iyonlarını almak için çatladığını ve daha aktif yüzeylere sahip olduğunu bulduk. Parçacıklar sadece dış yüzeyde değil, çatlakların içinde de var. Bilim adamları çatlamanın meydana geldiğini biliyorlar, fakat but tür çatlamanın pil şarj hızını nasıl etkilediğini ölçmediler” dedi.
Li ve Min’e göre katot parçacıklarının tek tek şarj hızını ölçmek, katotların parçalanmasının olumlu bir yönü olup olmadığını keşfetmenin bir yoluydu. Nörologlar beyin hücrelerinin elektrik sinyallerini nasıl ilettiğini incelemek için mikro iğne kontakları ve tarama mikropipetler kullanarak katot parçacıklarını tipik olarak tek tek bir cihaza yerleştirip ölçüm yapılan eski çalışmalardan farklı olarak 20’den fazla ayrı parçacık üzerinde tam elektrokimyasal döngü ve analiz gerçekleştirirerek reaksiyon ve difüzyon sürelerini istatistiksel olarak anlamlı bir veri seti olarak incelediler.
Yiyang Li, “Üniversitede lisansüstü eğitim sırasında nörobilim okuyan bir arkadaşım bana bireysel nöronları incelemek için kullandıkları dizileri gösterdi. Bunları nöronlara benzer boyuttaki pil parçacıklarını incelemek için de kullanıp kullanamayacağımızı merak ettim” dediLi’nin merakını gözden geçirelim, söz edilen her dizi 100 adede kadar mikroelektrot içeren, özel olarak tasarlanmış 2’ye 2 santimetrelik bir çiptir. Jinhong Min, bazı katot parçacıklarını çipin merkezine saçtıktan sonra insan saçından yaklaşık 70 kat daha ince bir iğne kullanarak parçacıkları dizideki elektrotlara taşıdı. Parçacıklar yerleştirildikten sonra dizide aynı anda dört adede kadar ayrı parçacığı şarj edip boşaltabilir ve 21 parçacığın performansını ölçebilir.
Deney, katot parçacıklarının şarj hızlarının boyutlarına bağlı olmadığını ortaya çıkardı. Li ve Min, bu beklenmedik davranış için en olası nedeni olarak;
- Daha büyük parçacıkların aslında çatladıklarında daha küçük parçacıklardan oluşan bir koleksiyon gibi davranmaları olduğunu düşünüyor.
- Diğer bir olasılık da, lityum iyonlarının tanecik sınırlarında katot parçacığını içeren nano ölçekli kristaller arasındaki küçük boşluklarda çok hızlı hareket etmesi olduğu düşünülüyor. Fakat Li aynı zamanda, pilin elektrolitinin içinde lityum iyonlarının hareket ettiği sıvı ortamın bu sınırlara nüfuz ederek çatlaklar oluşturmadığı sürece bunun pek olası olmadığını düşünüyor.
Çatlamayan tek kristal parçacıklara sahip uzun ömürlü piller tasarlarken, çatlamış malzemelerin yararlarını göz önünde bulundurmak önemlidir. Hızlı bir şekilde şarj olmak için bu parçacıkların günümüzün çatlayan katot parçacıklarından daha küçük olması gerekebilir. Li, alternatifin lityumu daha hızlı hareket ettirebilen farklı malzemelerle tek kristal katotlar yapmak olduğunu, ancak bu malzemelerin gerekli metallerin tedariki ile sınırlandırılabileceğini veya daha düşük enerji yoğunluklarına sahip olabileceğini söyledi.
Eray Dönmez
Kaynaklar