Teksas Üniversitesi’nde görev yapan araştırmacılar tarafından on yıldır lityum iyon piller kadar kararlı, son derece hızlı şarj edilebilen ve mevcut pil teknolojisinden daha fazla enerji üretebilen, lityum ve kobalta alternatif olarak daha ucuz ve çevre dostu olan sodyum bazlı pil malzemesi geliştirilmiştir.
Tekrarlanan soğuk haddeleme ve katlama, elektrokimyasal olarak aktif sodyum metali içinde dağılmış sodyum-antimon-tellürid Na2(Sb2/6Te3/6Vac1/6) bileşimini üretmek için kullanılır ve oluşan ürüne NST-Na adı verilir. Oluşan yeni ürün, yapısında bulunan boşluklar açısından zengin, termodinamik olarak kararlı yüzey merkezli kübik bir yapıya sahiptir ve yaygın olarak kullanılan karbonat ve eter elektrolitlerinde yüksek verimde elektrokimyasal performans sağlar. NST-Na, 1 M NaPF6 içermesi durumunda %100 oranında deşarj derinliği sağlamasıyla birlikte 15 mAh/cm2 ve 1 mA/cm2’de %99,4 oranında Kulombik verimlilik (boşalma süresinin şarj süresine oranı) elde etmektedir1.
Lityum üretiminin ağır yer altı su kullanımına, toprak ve su kirliliğine, karbon emisyonundaki artış gibi zararlara sebebiyet vermesi eleştirilmektedir. Lityum iyon pillerde çevre ve insan sağlığı üzerinde olumsuz etki yaratan ve elde edilmesi pahalı kobalt da kullanılmaktadır. Buna nazaran kıyaslandığında sodyum madenciliği daha ucuz ve çevre dostudur. Mitlin enerji depolamasını artıran bu yeni inovasyonun ve yeni bir katı elektrot içeren, sodyum pillerin sabit enerji depolaması için artan talebin UT Austin’den karşılanmasına olumlu bakıyor.
Malzemenin tasarımcısı David Mitlin: “Aslında aynı anda iki sorunu çözüyoruz. Öncelikle üretilen pillerde anot bileşeni için pilin elektriksel olarak kısa olması problemi çözüldü. Daha sonra alev alıp patlamasına neden olan dendrit adı verilen iğne benzeri filamentler oluşturması pil için büyük bir dezavantaj oluşturması önlendi.”dedi2. David Mitlin hızlı şarjın dendritlerin hızlı büyümesine yol açtığını ama kendilerinin dendrit büyümesini bastırarak daha güvenli ve hızlı şekilde pili doldurup boşalabildiklerine değindi.
Kimya Bölümü ve Oden Hesaplamalı Mühendislik ve Bilimler Enstitüsü‘nde profesörü olan Graeme Henkelman ise malzemenin teorik ve kendine has özelliklerini açıklamak için bilgisayar modeli kullandı. Şarj edilebilir pillerde iyonlar öncelikle (lityum ve sodyum gibi) katot adı verilen elektrottan anot elektroduna geçiş yapar ve bu şekilde pil şarj edilir.
NST-Na yeni anot malzemesi, ince sodyum levhasının antimon tellür üzerinde yuvarlanarak kendi üzerinde defalarca katlanmasıyla oluşturulur. Bu üretim işlemi ile daha az korozyon ihtimali oluşturan, dendrit oluşumunun daha az olduğu yapıyı çok düzgün sodyum atom dağılımı ile sağlanabilir.
Henkelman, yük taşıyan sodyum iyonlarının kendi aralarında anota göre daha fazla bağ yaparak kararsız kümeler -dentrid- oluşturma eğiliminde olduğunu söylemiştir. Bireysel sodyum atomları ile yeni kompozit NST-Na arasındaki etkileşimi incelemek için bilgisayar simülasyonu kullanarak inceleme yapılmıştır. Bu incelemeye göre Henkelman: “Hesaplarımıza göre bu bileşik sodyumu, sodyumun kendisini bağladığından biraz daha güçlü bir şekilde bağlar. Bu durum, sodyum atomlarının aşağı inmesi ve yüzeye eşit bir şekilde yayılması ve bu dengesizliklerin oluşmasını önlemek için ideal durumdur.” dedi.
Kaynaklar
- Wang, Y., Dong, H., Katyal, N., Hao, H., Liu, P., Celio, H., … & Mitlin, D. (2021). A Sodium–Antimony–Telluride Intermetallic Allows Sodium‐Metal Cycling at 100% Depth of Discharge and as an Anode‐Free Metal Battery. Advanced Materials, 2106005. https://doi.org/10.1002/adma.202106005
- https://techxplore.com/news/2021-12-sodium-based-material-yields-stable-alternative.html