İsveç’teki Chalmers Teknoloji Üniversitesi‘nden bir ekip, gelecek vaat eden lityum metal pillerinin şarj olurken ve boşalırken nasıl davrandığını gerçek zamanlı 3D görüntülerini X-ışını tomografik mikroskobunu kullanarak gözlemlemeyi başardı. Yeni yöntem, gelecekteki otomobillerimizde ve cihazlarımızda daha yüksek kapasiteye ve daha fazla güvenliğe sahip akülere katkıda bulunabilir.
Chalmers Fizik Bölümü Profesörü Aleksandar Matic, “Geleceğin lityum metal pillerini anlamak ve uzun vadede optimize etmek için yeni bir pencere açtık. Döngü sırasında hücredeki lityumu inceleyebildiğimizde, onun iç işleyişine ve hangi parametrelerden etkilediğine dair önemli bilgiler ediniriz.” diyor.
Tüm bu çalışmalar, pil anodunun günümüz pillerinde bulunan grafit yerine bir lityum metalden oluştuğu fikrine dayanmaktadır. Grafit olmadan pil hücresi daha hafif olacak ve anot olarak lityum metal ile yüksek kapasiteli katot malzemeleri kullanmak da mümkün olacaktır. Bu, enerji yoğunluğunun üç ila beş katına ulaşmasını mümkün kılacaktır.
Bununla birlikte, lityum metal pillerin çok önemli bir sorunu vardır: pil şarj edildiğinde veya boşaldığında, lityum her zaman olması gerektiği kadar düz ve pürüzsüz bir şekilde birikmez. Genellikle yosunlu mikro yapılar veya dendritler, uzun iğne benzeri yapılar oluşur. Biriken bu lityum parçaları izole edilebilir ve daha sonra inaktif hale de getirilebilir. Dendrit tipi biriken lityumlar diğer elektroda ulaşma riski taşır ve kısa devreye neden olur. Bu nedenle, bu yapıların ne zaman, nasıl ve neden oluştuğunu anlamak çok önemlidir.
Meslektaşı Xiong ile birlikte bu yeni çalışmanın baş yazarı Chalmers araştırmacısı Sadd “Bu teknolojiyi yeni nesil pillerde kullanabilmek için bir hücrenin akım yoğunluğu, elektrolit seçimi ve döngü sayısı gibi faktörlerden nasıl etkilendiğini görmemiz gerekiyor. Şimdi bunu gözlemleyeceğimiz teknolojik bir cihazımızı var,” diyor.
İlk bakış için heyecanlı bekleyiş
Çalışan bir hücrede lityum mikro yapılarının oluşumunu gözlemleme deneyi, İsviçre’nin Zürih kentindeki Swiss Light Source’da gerçekleştirildi. Nefes nefese bir beklentiyle araştırmacılar, X-ışını tomografik mikroskobu kullanarak lityumun ne zaman bırakıldığını gerçek zamanlı ve 3 boyutlu olarak incelemek için özel olarak tasarlanmış bir pil hücresi hazırladılar. Pek çok araştırmacı çalışan bir hücrede lityum metali incelemek istese de, ekibin bildiği kadarıyla bunu kimse başaramadı. Eğer bu başarılırsa ileriye doğru atılmış büyük bir adım olacaktır.
Matic, “İlk denemede işe yaradığını kendi gözlerimizle gördüğümüzde büyüleyiciydi ve lityumun devasa iğneler gibi büyük yapılar yarattığını gözlemlediğimizde, bir aya iniş projesinde olduğumuzu hissetmiş gibiydik. Uzun zamandır pillerin iç işleyişini gerçek zamanlı olarak gözlemlemek istiyoruz ve şimdi bunu yapabiliriz.” dedi.
Büyük ölçekli kullanım için yapbozun anahtar parçası
Araştırma ekibi ulusal bir araştırma tesisi olan İsveç MAX IV Laboratuvarı’nda diğer pil konseptlerini de X-ışını tomografik mikroskobuyla gözlemlemeyi amaçlıyor.
Matic, “Biriktirme sürecinin başlarında oluşan daha ayrıntılı mikro yapıları görmek ve daha yüksek çözünürlükte daha hızlı ölçümler yapmak için bu yöntemi geliştirmeyi dört gözle bekliyoruz. Bu, lityum metal pilleri büyük ölçekte kullanabilmek ve onları güvende tutabilmek için bulmacanın önemli bir parçası. Pek çok araştırma ekibi ve şirket, gelecekteki prototipleri için lityum metal konseptine bakıyor.” dedi.
Kaynak
https://techxplore.com/news/2023-03-3d-battery-imaging-reveals-secret.html