Lityum iyon pillerde termal kaçaklar için yanmaz elektrolit

Farklı araştırma merkezlerindeki araştırmacılar, ortak bir çalışma ile yanmaz elektrolit geliştirdi. Geliştirilen elektrolit, lityum iyon pillerde oluşabilecek yangını ve termal kaçağı engellemek için lineer organik karbonatın molekül yapısına benzetildi. Özellikle oda sıcaklığında yanmayan nitelikte olmasına dikkat edildi¹.

Elektrikli araçlarda ve enerji depolama sistemlerinde (ESS) orta ve büyük ölçekli lityum-iyon batarya kullanımı arttıkça, yangın ve patlamalarla ilgili endişeler de artmaktadır. Lityum iyon pillerdeki lineer organik karbonat elektrolitlerin yanıcılığını azaltmak, termal güvenlik sorununa açık bir çözüm olsa da pil performansını etkileyebilir ve pili daha maliyetli hale getirir². 

Dışarıdan yapılan fiziksel darbe, kötü kullanım ve eskime sonucu pillerde kısa devre oluşarak yanma olayları meydana gelmektedir. Seri ekzotermik tepkimelerle gerçekleşen termal kaçak olayları yangının zor söndürülmesine yol açar ve kişisel yaralanma riskini artırır. Lityum iyon piller için elektrolitlerde kullanılan lineer organik karbonat düşük parlama noktası (flash point) na sahiptir ve oda sıcaklığında kolayca tutuşabilir.

Bu zamana kadar elektrolitin yanma özelliğini düşürmek için belli yollar izlenmiştir. Yaygın kullanılan yol ise çözücü moleküllerinde veya yüksek yoğunluğa sahip tuzlarda yoğun florlama işlemidir. Bunun sonucunda ticari elektrotlardan farklı olarak elektrolit içindeki lityum iyon aktarımı düşer ve ticari amaçla kullanımları kısıtlanır.

Araştırmacılar, ticari lityum iyon pil elektrolitlerinde özgün bir lineer organik karbonat olan dietil karbonat (DEC) molekülünü kullandı. Moleküle aynı anda alkil zincir uzatma işlemi yapıldı ve alkoksi grubu takıldı. Bu sayede bis(2-metoksietil) karbonat (BMEC) elektrolitini geliştirdiler. Yeni elektrolitin moleküller arası etkileşimi ve çözünme yeteneği artırılmış, parlama noktası ve iyonik iletkenliği yükseltilmiştir.

BMEC elektrolit çözeltisinin parlama noktası klasik DEC çözeltisinden 90 °C daha fazla olup 121 °C’dir. Bu sebeple geleneksel pil çalışmalarında ortaya çıkan ısı aralığı içinde yanmaz.

BMEC, lityum tuzunu basit alkillenmiş eşdeğeri olan dibutil karbonattan (DBC) daha etkili biçimde ayrıştırabilir. Ayrıca moleküller arası etkileşimi artırarak yanma özelliğini azaltır ve yavaş lityum iyonu taşınması problemine de çözüm sağlar. Sonuçta klasik elektrolitin gerçek hız kapasitesinin %92’sinden fazlasını korur ve yangın riskini büyük ölçüde azaltır. Yeni elektrolitin klasik elektrolite göre yanıcı gazın meydana gelmesini %37 ve ısı meydana gelmesini %62 azalttığı görülmüştür.

Araştırmacılar, yeni elektrolit ile yüksek nikel içerikli katot ve grafit anotu bir araya getirdi. Bu sayede 1 amper saat (Ah) enerji sağlayacak lityum iyon pillerinin 500 döngü süresince kararlı olarak çalıştığı gösterildi. Ayrıca %70 şarjlı 4 Ah düzeyindeki lityum iyon pile çivi batırma testi yapıldı. Çivi batırma testi lityum-iyon pillerin güvenliğini test eden bir işlemdir. Bu testin sonucunda termal kaçakların kontrol altına alındığı gözlemlendi.

KIST’ten (Enerji Depolama Araştırma Merkezi) Dr. Minah Lee, “Bu araştırmanın sonuçları, elektrokimyasal özelliklerden veya ekonomik imkanlardan ödün veren yanmaz elektrolitlerin tasarlanması için yeni bir yön sağlıyor. Geliştirilen yanmaz elektrolit, maliyet bakımından rekabet gücüne ve yüksek enerji yoğunluklu elektrot malzemeleriyle eşsiz uyum içindedir. Bu sebeple klasik pilin üretim altyapısına uygulanması beklenmektedir. Sonuç olarak termal kararlılığı çok iyi olan yüksek performanslı pillerin ortaya çıkışını hızlandıracaktır.”

KITECH’ten (Kore Endüstriyel Teknoloji Enstitüsü) Dr. Jayeon Baek ise, “Bu araştırmada geliştirilen BMEC çözümü, maliyeti az olan katalizörler kullanılarak transesterifikasyon yöntemiyle sentezlenebilir ve kolayca ölçeklendirilebilir. Gelecekte, çevre dostu olma özelliğini artırmak için C1 gazı (CO veya CO₂) kullanarak sentez yöntemi geliştireceğiz.” dedi.

Kaynaklar

1. https://techxplore.com/news/2023-08-nonflammable-electrolyte-thermal-runaway-lithium-ion.html
2. Lee, J., Jeon, A. R., Lee, H. J., Shin, U., Yoo, Y., Lim, H. D., … & Lee, M. (2023). Molecularly engineered linear organic carbonates as practically viable nonflammable electrolytes for safe Li-ion batteries. Energy & Environmental Science.