Elektrikli araçlar, elektronik aletler ve şebeke enerji depolamalarının uygulamaları gibi birçok alanda karşımıza çıkan lityum iyon piller gün geçtikçe kullanımı yaygınlaşmaktadır. Bu yaygınlaşmaya rağmen lityum iyon pillerin enerji yoğunluğu ve maliyet azaltımı için yapılan çalışmalar devam etmektedir. Bu doğrultuda grafen, silikon ve lityum metal anotlar gibi birçok alternatif denenmiştir. Ancak bu alternatifler günümüzde ticari ölçekte kullanılabilir noktada değildir. Günümüz pil mühendisliği, mevcut pil kimyasallarının kullanımı ile alternatif çözüm sunmaktadır.1
Aktif malzemelerin kütle yüklemelerinin artırılması elektrot kalınlığını artırır. Bunun sonucunda akım toplayıcı (CC) ve ayırıcı gibi pasif bileşenlerin ağırlık ve hacim oranları azalır. Bu durum pilin enerji yoğunluğunu artırmak için basit ve cazip bir yöntemdir. Yapılan tahminlere göre bir Nikel Mangan Kobalt (NMC) hücresinde katot kalınlığının 22 µm’den 150 µm’ye çıkarılması, kütle yükünü yaklaşık 6 mg/cm2 den 40 mg/cm2 ye yükseltmektedir. Bu da gravimetrik enerji yoğunluğunun %51 artmasına neden olmaktadır. Ayrıca elektrot kalınlığının artması pasif bileşenlerin miktarını azaltarak pil hücrelerinin üretim maliyetini düşürmektedir.
Söz konusu kalın elektrotların pratik uygulamaları esnasında düşük performans ve elektrokimyasal kararsızlıklar gibi olumsuzluklar gözlemlenmiştir. Elektrot kalınlığının artması sonucu şarj ve deşarj süreçlerinde reaksiyonun elektrot içinde homojen dağılmaması gibi ciddi sorunlar ortaya çıkar. Elektrotlar içerisindeki düzensiz reaksiyonlar, aktif malzemelerin kullanımını kısıtlayan temel bir sorun hale gelir. Sıvı elektrolit kullanılan pillerde tuz gradyanının birikmesi ile durum daha da kötüleşir. Elektrolit içinde lityum kaynağının bulunmaması sebebiyle tuz tükenme bölgesindeki depolama kapasitesi tam olarak kullanılamaz. Bu heterojenlik durumu sıcak nokta oluşumu, parçacık çatlaması gibi fiziksel bozulmalara da neden olmaktadır.
Araştırmacılar bu sorunu çözmek için elektrot içindeki iyon taşıma yollarını kısaltmak amacıyla gözenek yapısını çeşitli teknikler (manyetik şablonlama, dondurarak kurutma ve lazer desenleme) kullanarak optimize etmişlerdir. Li vd. tarafından yapılan bu araştırmada günümüz teknolojisinde kullanılan çamur döküm yöntemi yerine kuru elektrot üretim tekniği kullanılmıştır. Bu yöntem döküm işlemi sırasında açığa çıkan iletken katkı maddelerinin şişmesi sonucu oluşan gözenek tıkanıklığını azaltır. Böylece iyon iletimi artmış olur. İletken katkı maddesi olarak karbon nanolifler, nanotüpler ve grafen gibi iletken katkı maddeler kullanılmıştır. Ancak araştırmacılar bu çalışmada, aktif malzemelerin termodinamik (açık devre potansiyeli-SOC ilişkisi) özelliklerinin de tepkime homojenliğinde önemli olduğunu gördüler. Bu etkiyi gözlemlemek için µXRF–XANES yöntemini kullandılar. µXRF yöntemi, numunedeki elementlerin dağılımını ve miktarını mikro ölçekte haritalar. XANES yöntemi, elementlerin kimyasal bağlanma durumu, oksidasyon hali gibi elektronik yapısını belirler. Bu yöntemlerin sonucunda lityum iyon pillerde en çok karşılaştığımız katot kimyaları olan NMC ve (Lityum Demir Fosfat) LFP katotlarının kalın elektrotlardaki şarj durumu dağılımı karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, LFP’nin daha dengesiz bir reaksiyon dağılımı gösterdiğini ortaya koymuştur.
NMC ve LFP katotlarında lityum yük durumunun (SOC) iki boyutlu dağılımı incelendiğinde her iki elektrot benzer yapıya sahip olsa da LFP’nin elektrotları boyunca SOC farkı NMC’ye göre çok daha fazladır. Bu durum NMC katodunun, LFP katoduna göre çok daha dengeli ve düzgün şarj-deşarj olduğu anlamına gelir. Sonuç olarak gelecekteki elektrot tasarımlarında elektrot yapısının kinetik ve termodinamik özellikleri dikkate alınarak optimize edilmesi gerekmektedir.2
Ant Efe Şimşek
Kaynaklar