Lityum pil ve kapasitörlerin gelişimi

Çinli araştırmacılar tarafından yapılan yeni bir araştırma, pillerin ve kapasitörlerin depolama performansını artırmaya yönelik yeni bir yaklaşım ortaya koydular. Araştırmacılar, lityum iyon depolamaya dayanan cihazlarda kullanım için mükemmel performansa sahip bir malzeme üretmenin basit ama etkili bir yolunu geliştirdiler.

Dünya, karbon nötr hedefine ulaşmak için elektrikli otomotiv ve yenilenebilir enerji sektörlerine doğru hızla adım atarken, enerji depolama teknolojileri giderek daha önemli hale geliyor. Lityum iyon teknolojisi bu değişimde ise kritik öneme sahiptir. Han Hu: “Mevcut tüm adaylar arasında, lityum iyon piller ve lityum iyon kapasitörler gibi lityum depolama kimyası kullanan enerji depolama cihazları, mevcut aşamada en iyi performansı sağlayabilir.” diyor.

Lityum iyon teknolojisinin enerji depolamada kullanımı, boyuta göre verimliliği ile sınırlıdır. Elektrikli araçlarda kullanılan lityum iyon pillerinin pazardaki rekabet gücünü artırmak için hem ağırlık hem de hacim açısından daha verimli hale getirilmesi gerekmektedir. Bu nedenle depolama kapasitesinde daha fazla iyileştirme, karbon nötrlüğü hedeflerine ulaşmanın anahtarı olabilir. Verimin artması yeni malzemelerin kullanımı yoluyla lityum-iyon pil ve kapasitör performansı üzerinde araştırma yapılmasını çok önemli hale getirebilir¹.

Daniel Brandell: “Yalnızca kişisel araçlar için değil, ağır vasıtalar için de elektrik enerjisine ihtiyaç var. Yakında son derece alakalı hale gelebilecek farklı akü geliştirmelerine ayak uydurmaları gerekiyor” diyor².

Elektrokimyasal enerji depolama için temel işlemler elektron ve iyon transferi ile gerçekleşir. Lityum piller ve kapasitörlerde nitrojen katkılı karbonlu malzemeler iyi bir seçim olarak görülüyor. Bununla birlikte, karbonlu malzemeler polar olmadığı için molekülleri arasında eşit olarak dağılmış yükler ile yüklü lityum (Li⁺), uygun bağlanma enerjisi veren doymamış konfigürasyonuna rağmen malzemelere kolayca yapışmaz.

Bu nedenle araştırmacılar, artan elektron ve iyon transferini kolaylaştırmak, yüzey kimyalarını düzenlemek için karbon nanofiberleri demir (Fe) ile bağladılar. Elektro-eğirme kullanarak, Fe içerikli bir dizi karbon nanofiber numunesi ürettiler. Daha sonra çeşitli elektrokimyasal test yöntemleri kullanarak numunelerin Li⁺ depolama performansını değerlendirdiler. Tarama ve transmisyon elektron mikroskobu, iyi dağılmış demir parçacıkları kümeleri olmayan, birbirine bağlı bir 3 boyutlu pürüzsüz lifler ağını ortaya çıkardı.

Sonuçlar atomik Fe eklenmesinin, daha fazla elektriksel iletkenliği teşvik etmek ve Li⁺nin difüzyon direncini azaltmak için karbon malzemelerin elektronik yapısını değiştirdiğini ortaya koymuştur. Araştırmacılar, elektrokimyasal performansın esas olarak atomik Fe’nin sinerjistik etkisi ve Li⁺nin yapışabileceği daha aktif bağları açığa çıkaran bir Fe-N bağının oluşumu yoluyla arttırıldığını açıklıyor.

Sonuç olarak lityum depolama performansında bu yolla iyileşmeler görüldü. Üretilen anot, hem yüksek enerji hem de büyük güç yoğunluğu sağlayan 5000 döngü yüksek akım yoğunluğu boyunca sürekli elektrik gücü sağlamıştır. Geçmeli fiber yapısı ile yapısal stabilite ve geliştirilmiş iletkenlik sağlanmıştır³. Aynı zamanda Çin Petrol Üniversitesi‘nden Yanan Li, bu çalışmada karbon fiberler ile kinetik olarak hızlandırılmış Li⁺nin depolaması ve yüksek kütle yüklerinde iyi performans elde ettiğini, atomik Fe süslemeli basit bir yöntem kullanarak malzeme konformasyonunun nasıl öncülük ettiğini açıklıyor.

Çalışma yazarları, karbon nanofiberlerin kullanımının temel araştırma ve pratik uygulamalar arasındaki boşluğu kapatabileceğini vurguluyor. Bir dizi enerji depolama cihazında kullanılmak üzere yeni malzemelerin daha fazla araştırılmasını ve kullanılmasını bekliyorlar. Hu: “Elektro-eğirilmiş karbon nanofiber paspaslar oldukça esnektir, bu da esnek ve giyilebilir enerji depolama cihazları oluşturma olasılıklarını gösterir.” diyor. Karbon nanofiber paspaslar elektrot görevi görecektir ayrıca araştırmacılar, elektrokimyasal enerjinin depolanmasını artırmak için diğer tek atomlu metaller olan sodyum, potasyum ve çinkonun kullanımını keşfetmeyi amaçladıklarını belirtmektedirler⁴.

Dücane Özdemir

Kaynaklar

1. Masias, A., Marcicki, J., & Paxton, W. A. (2021). Opportunities and Challenges of Lithium Ion Batteries in Automotive Applications. ACS Energy Letters, 6(2), 621–630. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c02584
2. https://phys.org/news/2022-03-bottlenecks-lithium-sulfur-batteries.html
3. Xu, Q., Li, Y., Wu, C., Sun, X., Li, Q., Zhang, H., … & Wu, M. (2022). Kinetically accelerated and high-mass loaded lithium storage enabled by atomic iron embedded carbon nanofibers. Nano Research, 1-8. https://doi.org 10.1007/s12274-022-4266-x
4. https://phys.org/news/2022-04-iron-laced-carbon-nanofibers-yields-high-performance.html