Lityum pillerinin performans artışı

Avantajlı niteliklerine rağmen, Li-metal piller şimdiye kadar bazı sorunlar sergilemiştir. Bunlar arasında en önemlisi Li dendritlerinin oluşumu ve kısa çevrim ömrüdür. Pil tasarımında uzmanlaşmış birçok mühendis bu sorunların üstesinden gelmek için stratejiler geliştirmeye çalışmaktadır. Li-metal pillerle bağlantılı sorunların üstesinden gelmek için en gerçekçi ve umut verici yaklaşımlardan biri, alternatif sıvı elektrolitler tasarlamaktır. Nature Energy‘de yayınlanan yakın tarihli bir makalede, Stanford Üniversitesi‘ndeki bir ekip, bu sıvı elektrolitlerin performansını iyileştirmek için kullanılabilecek yeni bir çözücü molekülü tanıttı.

Zhiao Yu: “Sıvı elektrolit mühendisliği stratejileri, mevcut büyük ölçekli üretim hatlarıyla (kimya endüstrisi veya pil üretim hattı açısından) tamamen uyumludur. Elektrolit mühendisliğindeki bazı yeni çalışmalar gerçekten de lityum metal pillerin çevrimini bir dereceye kadar iyileştirdi ancak mevcut yöntemler hala yapı-özellik ilişkilerinin net bir şekilde açıklayamamaktadır.” dedi¹.

İki yıl önce Yu, florlu 1,4-dimetoksilbütan (FDMB) olarak adlandırdığı Li-metal pil elektrolitleri için özel bir çözücü molekülü tanımladı ve patentini aldı. Keşfedildiği sırada, molekülün bir CAS numarası (yani kimyasalları kataloglamak için kullanılan kimlik numarası) yoktu, bu da daha önce hiç tanımlanmamış olabileceğini gösteriyor.

Yu, mevcut diğer solvent moleküllerinin aksine FDMB’nin olağanüstü pil performansları sağladığını keşfetti. Ek olarak, tek tuz, tek çözücü olarak ve düşük konsantrasyonlu bir formül içinde kullanılabilir. “Bu özellik o zamanlar son derece benzersizdi ve şimdiye kadar sadece birkaç elektrolit bunu yapabilirdi ancak, FDMB mükemmel değil. FDMB bazlı elektrolitin uzun süreli pil döngüsü sırasında aşırı potansiyel artışından muzdarip olduğunu buldum; başka bir deyişle, pili uzun süre kullandıktan sonra iletilen voltajın eskisi kadar iyi olmadığını göreceksiniz. Bu, piller için ölümcüldür” dedi².

Yu‘ya göre, keşfettiği olumsuz kalite, Li + iyonları ile FDMB sıvısı arasındaki, elektrolitte zayıf iyon taşınımına yol açan benzersiz etkileşimle bağlantılı olabilir. Geçen yıl, Yu ve bazı meslektaşları, DEE olarak adlandırdıkları başka bir molekülü tanımladı ve patentini aldı. Dikkat çekici bir şekilde, DEE’nin FDMB’den daha iyi performans gösterdiğini ve uzun süreli pil döngüsü sırasında aynı aşırı potansiyel artışı sergilemediğini bulmuşlardır.

Yu, “İyi performansına rağmen, DEE’nin Li-metal elektrotların stabilitesini hala tehlikeye attığını gördük bu nedenle, yeni çalışmanın bir parçası olarak, DEE moleküllerini son grupların florlama derecesine ince ayar yapmak için omurga olarak kullandım ve elektrot stabilitesi arasında optimal bir denge sağlayan bir florlu-DEE ailesi (patentimizi aldık) ve lityum metal piller için yüksek iyonik taşıma elde ettim” dedi. 

Dikkat çekici bir şekilde, Yu ve meslektaşları CAS kataloğunu kontrol ettiklerinde, keşfettikleri florlu DEE’lerden (F5DEE olan) birinin henüz bir kimlik numarasına sahip olmadığını ve bu nedenle önceki çalışmalarda açıklanmadığını buldular. Ayrıca, bu yeni solventlere dayalı elektrolitler, yüzde 99,9±0,1’lik bir Li-metal verimliliği elde etti; bu, muhtemelen şimdiye kadar elektrot stabilitesi için en yüksek değer ve ayrıca pratik Li-metal tam hücreler için uzun vadeli döngü için en yüksek değerdir³. Son olarak, solventler, endüstriyel, anotsuz lityum demir fosfat bazlı, jöle-rulo poşet hücreleri için şimdiye kadar bildirilen muhtemelen en uzun çevrim ömrünü mümkün kıldı.

İki yeni florlu DEE’nin (F4DEE ve F5DEE) ortaya çıkarılması, birden fazla adım içeren uzun bir süreçti. Başlangıçta Yu, F3DEE ve F6DEE’yi sentezledi. Daha sonra, ilk performanslarını test etti.

Yu, “Genel süreç o kadar basit değildi ve çalışma boyunca kimyanın cazibesini gerçekten hissettim: adım adım ince ayar yaparak sadece bu iki molekülle bir makale yayınlayabilirdim, ancak performansı daha da zorlamam gerektiğini düşündüm. Sonra aklıma kıvılcım veren bir fikir geldi: Pil performansını, birinci florlama derecesini hassas bir şekilde ayarlayarak değiştirebilirim” dedi. 

Yu, F4DEE’yi sentezlemeye başladığında, olağanüstü performanslar elde etmesine rağmen hala küçük bir kusuru olduğunu keşfetti. Bu kusurun üstesinden gelmek için moleküler yapısını daha da ince ayarladı ve son teknoloji performanslar sağlayan ve daha önce tescil edilmemiş bir molekül olan F5DEE’yi elde etti.

Yu, “Çalışmamızdaki elektrolit çözücü molekülleri, büyük ölçeklerde ve düşük maliyetli öncülerle sentezlenebilir ayrıca, sıvı elektrolit bazlı metalik lityum pil veya anotsuz pil teknolojimiz mevcut seri üretim hatlarıyla uyumludur, bu nedenle üretim için devrim niteliğinde bir yükseltmeye gerek yoktur ve üretim mühendisliği için çok zaman kazanılabilir” dedi⁴. 

Yu, “Ünlü yatırımcı Chris Sacca bir keresinde ‘fikirler ucuzdur, uygulama her şeydir’ demişti. “Pazar ve kullanıcılar tarafından tanınan verimli uygulama ve gerçekçi ürünler yapmamız gereken şeylerdir. Aynı prensip pil alanında da mükemmel şekilde geçerlidir.”

Mevcut ve yaygın olarak kullanılan lityum iyon pil teknolojileri, enerji yoğunluğu, çevrim ömrü, maliyet ve üretim açısından teorik sınırlarına ulaştı. Bu nedenle, pil teknolojisindeki yeniliği körüklemeye devam etmek için araştırmacıların alternatif malzemeler, çözücüler ve pil tasarımları tasarlamaları ve tanımlamaları gerekecektir.

Gelecekte, bu araştırma ekibi tarafından belirlenen yüksek performanslı solventler, nihayetinde geçmişte karşılaşılan bazı sorunların üstesinden gelerek yeni nesil lityum metal pillerin geliştirilmesine yardımcı olabilir. Yu ve meslektaşları sonraki çalışmalarında, tüketicilerin ihtiyaçlarını daha da iyi karşılayabilecek, daha iyi Li metal pil performansı, yüksek güvenlik ve çevre dostu yeni solvent molekülleri arayacak.

Yu, “Hem yakın gelecek hem de uzak gelecek teknolojileri, yeni materyallerin geliştirilmesinde dikkate alınmalı ve ciddi bir şekilde takip edilmelidir; bunlardan birincisi kısa vadeli geniş uygulamalar için, ikincisi ise uzun vadeli vizyon ve siberpunk tarzı metaverse içindir. Prof. Zhenan Bao, Prof. Yi Cui ve Prof. Jian Qin‘in araştırma gruplarının çalışmalarına dayanarak, şimdi pil endüstrisi, ulusal laboratuvarlar ve potansiyel girişimimizle iş birliği içinde elektrolitlerimizi ve Li metal pillerimizi daha da geliştireceğiz” dedi.

Kaynaklar:

1. https://techxplore.com/news/2022-02-rational-solvent-molecule-lithium-metal.html
2. Zhiao Yu et al, Rational solvent molecule tuning for high-performance lithium metal battery electrolytes, Nature Energy (2022). DOI: 10.1038/s41560-021-00962-y
3. Zhiao Yu et al, Molecular design for electrolyte solvents enabling energy-dense and long-cycling lithium metal batteries, Nature Energy (2020). DOI: 10.1038/s41560-020-0634-5
4. Yuelang Chen et al, Steric Effect Tuned Ion Solvation Enabling Stable Cycling of High-Voltage Lithium Metal Battery, Journal of the American Chemical Society (2021). DOI: 10.1021/jacs.1c09006