Bulunduğumuz çağ teknoloji çağıdır. Teknoloji kullanımı teknolojik araçlar aracılığıyla gerçekleşmektedir. Teknolojik araçlar ise toplumun her kesimine hitap etmekte ve hayatın her alanına dahil olmaktadır. Bu teknolojik araçların kullanımında taşınabilirlik, güvenilebilirlik ve güvenliğin büyük ölçüde önemli olduğu kadar bu cihazları ihtiyacımız olduğunda kullanabilmemiz açısından şarj-deşarj edilebilme kapasitesi de önem arz etmektedir. Bunun içinse yeniden şarj edilebilir lityum-iyon bataryaları (LIB) kullanılmaktadır. Bu bataryalar ihtiyaç duyulan hareket özgürlüğünü ve bağlanabilirliği rahatlıkla karşılamaktadır.
Lityum-iyon pillerin çalışma prensibi şarj-deşarj durumlarına bağlıdır. Bu piller deşarj olurken akımın bataryaya giriş yaptığı elektrolit olan anot’ta yer alan lityum iyonları, akımın hedef cihaza enerji sağlamak amacıyla çıkış yaptığı elektrolit olan katoda doğru hareket etmektedir. Şarj esnasında ise bu durumun tam tersi yaşanmaktadır.
LIB’lerde döngü ömrü, güç yoğunluğu ve verimlilik gibi temel performans parametrelerinin hedefe uygunluğu değerlendirilmesi gerekmektedir. Güç yoğunluğu, birim hacimde depo edilen gücün bir ölçüsüdür. Döngü ömrü ise bir bataryanın şarj-deşarj döngülerinin başlamadan önce tutabileceği şarj yüzdesini azaltmaya başladığı döngü sayısıdır. Bu değerlendirme yapılırken ise batarya içerisinde kullanılan sulu olmayan elektrolitin bileşiminin önemli role sahip olduğu bilinmektedir1. Günümüzde mevcut olarak kullanılan elektrolit, karbonat bazlı bir elektrolitte çözülmüş lityum hekzaflorofosfat (LiPF6) tır. Ancak, LIB’lerin anot ve katot malzemeleri, bu bileşenlerin termodinamik kararlılık sınırlarını aşacak şekilde tasarlanmıştır, bu nedenle bataryanın ilk etkinleştirilmesi sırasında elektrolit ayrışır ve elektrot yüzeyinde pasivasyon tabakası oluşur. Ayrıca, katot malzemelerindeki nikel (Ni) içeriği ve şarj kesme gerilimi son zamanlarda artarak daha yüksek enerji yoğunluğu elde etmek için artırılmıştır, bu da geleneksel LIPF6-organik karbonatlı elektrolitlere bir zorluk oluşturur2. Sonuç olarak elektrolit çözeltilerinin döngü ve termal kararlılıkları ile ilgili bazı problemlerinin var olduğu söylenmektedir. Bu bataryalarda güvenlik ayrıca bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır. Çünkü bu bataryalarda, çok nadiren de olsa, elektrokimyasal sistem tutarsızlığına bağlı olarak patlama ve yangınların gerçekleştiği görülmektedir.
Bundan dolayı güvenliği artırılmış, yüksek kapasiteli ve uzun döngü ömrüne sahip lityum iyon pilleri geliştirmek gerekmektedir. Bu amaca dayanarak Pekin Teknoloji Enstitüsünde profesör olarak görev alan Ying Bai ve ekibi, lityum iyon pillerde sülfon (TMS: tetrametilen sülfon) bazlı elektrolite eklenebilecek maddeleri araştırma çabasına girmiştir. Bu çaba sonucu elde edilen bulgularda elektrolite trifenilfosfin oksit (TPPO) eklenerek, TPPO’nun elektrolitin termal kararlılığını artırdığı ve bir katkı maddesi olarak LIB’lerin gelişimini ilerletmek için önemli endüstriyel değere sahip olduğu yer almaktadır.
Yukarıda bahsedilen dezavantajlardan kurtulmak amacıyla, elektrolit çözeltisini tamamen değiştirmek yerine batarya performansını artırmak için elektrolitte bir katkı maddesi olan TPPO’nun kullanımınının testleri yapılmıştır. Bu testlerin sonucunda TPPO’nın önemli avantajları keşfedilmiştir. Bu avantajlar:
- TPPO kullanımı sülfon elektrolitin alev noktasını azaltmaktadır.
- Seçici olarak kararlı bir pasivasyon filmi oluşturmaktadır. Bu sebeple de sülfon elektroliti ile elektrot malzemesi arasındaki arayüz stabilitesini artırmaktadır1. (Pasivasyon filmi, TPPO bozundukça oluşup katodu kaplayarak aşınmaya karşı daha dirençli bir durum sağlamaktadır. Bunun yanı sıra lityum iyonlarının elektrolit üzerindeki hareketini artırırken elektrolitin bozunmasını azalttığı da görülmüştür.)
TPPO ısıtıldığında, daha stabil bir çapraz bağlı katı malzeme veya karbonizasyon tabakası oluşturabilmektedir. Bu yetenek, iki fayda sağlamaktadır: İlk olarak, karbür tabakası oluşumu polimerlerin daha fazla termal bozunmasını engellemektedir; ikincisi, yanma sırasında, iç termal olarak bozunmuş ürünlerin gaz fazına salınmasını engellemektedir.2 Yanma testleri ve termal gravimetrik analiz (TGA) sonuçları, elektrolitin mükemmel yanmazlık ve termal stabilitesini göstermektedir.
Araştırmacılar teorik hesaplamalar, elektrokimyasal karakterizasyon ve yanma testlerinden faydalanarak sülfon bazlı elektrolite %2 ağırlıkça TPPO eklemenin, 20-60 °C sıcaklık aralığında iyonik iletkenliği ve mükemmel oran performansıyla döngü stabilitesini korurken LIB’lerin deşarj kapasitesini 2-4,8 V aralığında artırdığı bulgusunu elde etmiştirler.
Kısacası, geliştirilen yeni elektrolitin, yanmaz olduğu için daha güvenli olduğu ve termal olarak stabil ve artırılmış enerji deşarj kapasitesine sahip olduğu söylenebilmektedir1.
Kaynaklar
- https://techxplore.com/news/2024-02-customizing-sulfone-electrolyte-lithium-ion.html
- Li, Q., Wu, W., Li, Y., Ren, H., Wu, C., & Bai, Y. (2023). Enhanced safety of sulfone-based electrolytes for lithium-ion batteries: broadening electrochemical window and enhancing thermal stability. Energy Materials and Devices, 1(2).