Katıhal Li-metal piller ile daha uzun menzilli elektrikli araçlar

Elektrikli araçlar, dünya çapında karbon emisyonlarını azaltma çabalarında önemli bir role sahiptir. Elektrikli araçların varoluş kaynağı olan pillerin tasarımı, sürüş menzilini en üst düzeye çıkarmak ve araç güvenliği konusunda engellere sebep olmaktadır. Önerilen çözümlerden biri olan katıhal lityum iyon (Li-ion) metal piller, daha yüksek enerji yoğunluğu, güvenlik ve daha düşük karmaşıklık sağlama potansiyeline sahip olmalarına karşın teknik sorunları günlük kullanıma geçişi önlemektedir¹. 

Tokyo Metropolitan Üniversitesi’nden araştırmacılar, elektrokimyasal empedans spektroskopisinin (EIS – Electrochemical Impedans Spectroscopy) tüm katıhal Li-ion metal pillerin bozulma mekanizmalarını incelemek için güçlü, pile zarar vermeyecek bir aracın mümkün olabileceğini göstermiştir. Aerosol biriktirme ve ısıtma ile hazırlanan seramik bazlı tamamen katıhal Li-metal piller incelenmiş, bu pillerdeki performans düşüklüğünün sonucu olarak sorumlu özel arayüzü belirlemişlerdir. ACS Applied Materials & Interfaces dergisinde yayınlanan çalışmada bu sorunu çözmenin yolları açıklanmıştır.

Katıhal Li-metal piller, hem yüksek güvenlikli hem de yüksek enerji yoğunluklarına ulaşma potansiyellerine sahiptirler. Garnet tipi Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO), Li metaline karşı kararlı olan birkaç katıhal hızlı iyon iletkenleri arasındadır. LLZO’nun yüksek elastik modüle sahip olması elektrot malzemeler arasındaki teması azaltacağından yüksek arayüz direnci oluşturacaktır². Bunun sonucunda, LLZO ve katot malzemeleri arasındaki büyük arayüz direnci, LLZO’nun pratik uygulamalarına ciddi derecede engel oluşturmakla birlikte katot ile elektrolitler arasındaki temasın kalitesini düşürmekte ve hangi arayüzün problemli olduğunu tespit etmeyi de zorlaştırmaktadır. Bu çalışmada LiCoO₂ (LCO) filmi, aerosol biriktirme yoluyla oda sıcaklığında alüminyum (Al) katkılı bir LLZO substratı üzerine biriktirilmiş ve düşük derecede ara yüzey direncine ulaşılmıştır. Aerosol biriktirme, katot filmlerini oda sıcaklığında seramik katı elektrolitler üzerinde biriktirilebilen bir seramik kaplama teknolojisidir³. LCO partikülleri, Li₃BO₃ (LBO) ile önceden kaplanmış, ısıtma sırasında LCO partikülllerini LLZO substratına birleştirmek için erimiştir. Tamamen katıhal Li/LLZO/LBO-LCO hücreleri 0,2 C ve 60 ^oC’de 128 mAh/g’lık bir başlangıç deşarj kapasitesi sunmaktadır ve 30 şarj döngüsünden sonra %87’lik yüksek kapasitede tutma performansı göstermiştir⁴. Hücre bozunma mekanizması EIS ile incelenmiş ve esas olarak LBO ile LCO arasındaki ara yüzey direncindeki artışın temel olarak döngü sırasında ara yüzey çatlamasından kaynaklandığını doğrulamıştır. Bu çalışma tüm katıhal pillerin arıza mekanizmalarını araştırmak için güçlü ve zarar vermeyen EIS’nin yeteneklerini göstermiştir. 

Bu çalışmada kullanılan aerosol kaplamada hızlandırılmış katot parçacıklarının seramik altlığa çarpmasıyla çatladıktan sonra deforme olmaktadır. Parçacık kırılması veya plastik deformasyon sayesinde üretilen yüksek yüzey enerjisinin, oda sıcaklığında ince katot parçacıklarının yoğunlaştırılması için itici güç olması mümkündür⁵. Bununla birlikte aerosol kaplama ile hazırlanan seramik bazlı tamamen katıhal hücreleri, büyük olasılıkla katı elektrolit/elektrot arayüzünün çatlama gibi mekanik bozunmasından dolayı döngü hızla bozulmaktadır⁶. Hem katot hem de katı elektrolit malzemeler kırılgan seramikler olduğundan, çevrim sırasında katot malzemesinin genleşip büzüşmesinden kaynaklanan basınç, arayüzün çatlamasına yol açmaktadır. Bu nedenle aerosol kaplama ile hazırlanan katı elektrolit/katot arayüzü daha fazla işlem gerektirmektedir. 

Ekibin yenilikleri yalnızca son teknoloji bir pil tasarımı gerçekleştirmekle kalmamış, hasarsız, yaygın olarak kullanılabilen bir yöntem kullanarak daha fazla iyileştirme yapmak için sonraki adımları da vurgulamaktadır. 

Okan Şener

Kaynaklar

1. https://techxplore.com/news/2022-09-damage-free-gauge-health-next-gen-batteries.html
2. Yu, S., Schmidt, R. D., Garcia-Mendez, R., Herbert, E., Dudney, N. J., Wolfenstine, J. B., Sakamoto, J., & Siegel, D. J. (2016). Elastic Properties of the Solid Electrolyte Li7La3Zr2O12 (LLZO). Chemistry of Materials, 28(1), 197–206. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5b03854
3. Sakakura, M., Suzuki, Y., Yamamoto, T., Yamamoto, Y., Motoyama, M., & Iriyama, Y. (2021). Low-Resistive LiCoO2/Li1.3Al0.3Ti2(PO4)3 Interface Formation by Low-Temperature Annealing Using Aerosol Deposition. Energy Technology, 9(5), 1–9. https://doi.org/10.1002/ente.202001059
4. Cheng, E. J., Kushida, Y., Abe, T., & Kanamura, K. (2022). Degradation Mechanism of All-Solid-State Li-Metal Batteries Studied by Electrochemical Impedance Spectroscopy. ACS Applied Materials & Interfaces. https://doi.org/10.1021/acsami.2c09841
5. Akedo, J. (2006). Aerosol deposition of ceramic thick films at room temperature: Densification mechanism of ceramic layers. Journal of the American Ceramic Society, 89(6), 1834–1839. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2006.01030.x
6. Kato, T., Iwasaki, S., Ishii, Y., Motoyama, M., West, W. C., Yamamoto, Y., & Iriyama, Y. (2016). Preparation of thick-film electrode-solid electrolyte composites on Li7La3Zr2O12 and their electrochemical properties. Journal of Power Sources, 303, 65–72. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.10.101