Lityum bataryalarda organik katot: TAQ

Lityum iyon piller, akıllı telefonlardan elektrikli araçlara kadar birçok alanda kullanılan bir depolama teknolojisidir. Pil teknolojisi elektriğin iyon şeklinde elektrokimyasal olarak depolanması ilkesine dayanır¹. Elektrikli araçlar veya telefonlar prize takıldığı zaman prizden sağlanan elektriğin iyonları pilin pozitif elektrodundan negatif elektroduna doğru gider². Pozitif ve negatif elektrotlar pildeki iyonları depolayabilen katı malzemelerdir.

Lityum iyon piller, ulaşımda kullanılan ve en çok tercih edilen enerji depolama çözümleridir. Şebekelerin karbondan arınması için de önemi giderek artmaktadır. Lityum iyon bataryaların katotları genellikle nikel, mangan ve kobalt gibi inorganik oksitlerden oluşmaktadır. Günümüzde yaygın olarak kullanılan araçlar genellikle yüksek maliyetli ve genellikle yenilenebilir enerjiye karşı olan, kobalt içeren bataryalarla donatılmıştır³. Her ne kadar kobalt yenilenebilir enerjiye karşı bir tehdit unsuru olsa da kobaltın tamamen ortadan kaldırılmasının çok zor olduğu yapılan çalışmalar sonucunda kanıtlanmıştır. Bu durumun sebebi yüksek sosyal maliyet, kobalt içermeyen oksit katotların düşük döngüselliğe ve kapasiteye sahip olmasıdır. Kobalt içermeyen bir teknolojinin geliştirilmesi özellikle elektrikli araç sektörü açısından pek mümkün değildir. Son zamanlarda, katot maliyeti açısından düşük ve bulunabilirliği daha fazla olan LFP (lityum demir fosfat) katodunun lityum iyon hücreleri için uygulanabilirliği üzerinde bir çaba görülmektedir⁴.

İnorganik katotlar yerine organik katoda geçiş uzun süredir bilim adamları tarafından üstüne düşülen bir konudur. Organik yapıların performans veren malzemelerinin yetersiz bulunması biliminsanları açısından olumsuz bir durum olarak görülmektedir. Bu noktada organik bir katot olan bis-tetraamino benzokinonun (TAQ) karşımıza çıkmaktadır. Bu malzeme yüksek elektrik iletkenliği, yüksek depolama kapasitesi ve tam olarak çözünmemesi gibi özelliklere sahip. Optimize edilmiş olan bu katot, kobalt bazlı katotlara nazaran daha fazla enerji yoğunluğu sunmaktadır. En dikkat çeken özelliği ise kısa sürede  benzofenon olabilme özelliğidir.

Şekil 1: Bis-tetraamino benzokinon (TAQ).

Şarj-deşarj süresinin kısa olmasını şu şekilde açıklayabiliriz. Tasarım açısından, organik moleküllerin redoks bölgelerine yoğun bir şekilde düzenlenmesi ve redoks-aktif polimerler veya çerçeve malzemelerine kıyasla daha düşük molar kütleleri sayesinde yüksek özgül kapasiteler sunar. Buna ek olarak, ayrık moleküller genellikle düşük iletkenlik gösterir ve pil elektrolitlerinde çözünme eğilimindedirler. Bu durum, redoks bölgelerinin yetersiz kullanımına, düşük şarj-deşarj sürelerine ve zayıf döngüsel stabiliteye yol açar.

TAQ katodun lityum iyon bataryalar için daha verimli, hızlı şarj-deşarj olabilmesi, enerji depolama açısından uzun ömürlü olması bakımından birçok soruna çözüm olacağını düşünmektedir. Bu gelişmeler, elektrikli araçlardan taşınabilir cihazlara kadar pek çok enerji depolama alanında, batarya teknolojilerinde önemli bir ilerleme olduğunu göstermektedir.

Ant Efe Şimşek

Kaynaklar

1. https://techxplore.com/news/2024-03-lithium-ion-batteries-dont-cold.html
2. https://theconversation.com/lithium-ion-batteries-dont-work-well-in-the-cold-a-battery-researcher-explains-the-chemistry-at-low-temperatures-222571
3. https://phys.org/news/2024-01-cobalt-free-batteries-power-cars.html
4. Chen, T., Banda, H., Wang, J., Oppenheim, J. J., Franceschi, A., & Dinca, M. (2023). A layered organic cathode for high-energy, fast-charging, and long-lasting Li-ion batteries. ACS Central Science.