Gözenekli grafen katotlu yüksek performans lityum-oksijen pilleri 

Artan yüksek enerji talebi ve gün geçtikçe sürdürülebilir enerji kaynaklarına duyulan ihtiyacın artması, enerji depolama teknolojilerinde yenilikleri zorunlu kılmıştır. Lityum oksijen (Li-O₂) piller, geleneksel lityum-iyon pillerin çok üzerinde olan olağanüstü yüksek teorik enerji yoğunlukları ile öne çıkmaktadır.¹

Bu piller, genel olarak bir lityum metal anot, bir sıvı/katı elektrolit ve gözenekli bir katottan oluşur. Deşarj sırasında katotta oksijenin indirgenmesi ve anotta lityumun yükseltgenmesi sonucunda lityum peroksit (Li₂O₂) oluşur. Şarj sırasında ise bu reaksiyon tersine çevrilir. Ancak, Li₂O₂’nin yalıtkan yapısı, yavaş kinetiği ve aşırı potansiyeli pil performansını sınırlar. Araştırmacılar bu sorunları çözebilmek için; lityum anotların korunması, kararlı elektrolitlerin geliştirilmesi, verimli katalizörlerin kullanımı ve sağlam gözenekli katotların tasarımı gibi alanlarda çalışmalar yapmış ve önemli ilerlemeler kaydetmiştir. Ancak pillerin yüksek enerji yoğunluğunun iyileştirilmesi için kullanılan pratik katotlar hakkında çok az çalışma yapılmıştır. Katotların üzerinde gerçekleşen olaylardan dolayı katotlar lityum-oksijen pil için oldukça önemlidir. Karbon malzemeler, yüzey alanının geniş olması ve elektrik iletkenliklerinin yüksek olmasından dolayı katot malzemesi olarak kullanılmaktadır. Ancak mevcut karbon katotların alan yoğunlukları düşüktür. Katotlardan hedeflenen alan kapasitesini elde etmek için katotların kalınlaştırılması gereklidir. Fakat bu durum iç direnci artırır ve kütle transferini zorlaştırır. Hedeflenen performansa sahip karbon katotların hazırlanmasındaki zorluğun sebebi grafenin anizotropik yapısıdır. Bu yapı angstromdan milimetrenin altındaki geniş bir boyut ölçeğinde hassas yapısal kontrolü engeller. Tüm sorunlar değerlendirildiği zaman en ideal karbon katotlar, minimum yığılmış grafen duvarlarına, hiyerarşik gözenek yapısına ve kenar bölgesi/bağlayıcı içermeyen bir yapıya sahip olmalıdır.

İdeal bir karbon katot tasarımı için yapılan bu çalışmada, kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemiyle sentezlenen ve yüksek sıcaklıkta tavlanan, istifleme veya kenar bölgesi içermeyen grafen duvarlarından oluşan hiyerarşik gözenekli bir membran olan “Grafen Mezospong (GMS) tabakası” önerilmektedir. GMS tabakası ile üretilen prototip katot, yüksek kütle yükselmesi ile Li-O₂ pillerde benzeri görülmemiş alan, kütle ve hacimsel kapasite sergilemiştir. Ayrıca, tüm aktif malzemeler dikkate alındığında optimum enerji yoğunluğu elde edilmiştir.²

GMS tabakası, alümina tozu (Al₂O₃) kullanılarak bir şablon üzerinde CVD ile sentezlenir. Metan gazı (CH₄) kullanılarak 900°C’de karbon kaplama yapılır. Al₂O₃ şablonu hidroklorik asit (HF) ile çıkarılır ve 1800°C’de tavlama işlemi uygulanır. Bu süreç, GMS tabakaların yapılarını 10^-9 – 10^-3 mertebe aralığında kontrol etme imkanı sunar.

GMS tabakaların elektrokimyasal performansını değerlendirmek için yapılan testler, malzemenin Li-O₂ pillerinde olağanüstü bir potansiyele sahip olduğunu göstermiştir. Döngüsel voltametri (CV) analizleri, GMS tabakasının yüksek bir oksidasyon başlangıç potansiyeli sergilediğini göstermiştir. Tam deşarj-şarj testleri, farklı sentez koşulları altında üretilen GMS tabakalarının yüksek alan ve kütle kapasitelerine sahip olduğunu göstermiştir. Ayrıca hacimsel enerji yoğunluğu da yüksektir.

Sonuç olarak bu çalışma yüksek enerji yoğunluğuna sahip pratik Li-O₂ piller için angstrom ile milimetre altı ölçekte kontrol edilebilir boyuta sahip, bağlayıcı içermeyen GMS tabakalı katotların sentezini ve performansını başarıyla ortaya koymuştur. Gelecekte, pratik poşet hücre boyutunda hiyerarşik yüksek gözenekli GMS tabakası katotun büyük ölçekli sentezi, yüksek enerji yoğunluğuna sahip pratik Li-O₂ pillerin ticarileştirilmesini teşvik edecektir.²

Kaynaklar

1. Unmasking the culprits of battery failure with a graphene mesosponge
2. Shen, Z., Yu, W., Aziz, A., Yoshii, T., Hatakeyama, Y., Kobayashi, E., … & Nishihara, H. (2025). High-purity 13C-labeled mesoporous carbon electrodes decouple degradation pathways in Li-O2 batteries with polymorphic Ru catalysts. Applied Catalysis B: Environment and Energy, 126030.