Skoltech Enerji Bilimi ve Teknolojisi Merkezi’ndeki bilim adamları, çok çeşitli
metal iyon pillerinin katot malzemeleri kapasitesini artırmak için zenginleştirilmiş
ve ölçeklenebilir bir yaklaşım geliştirdiler. Journal of Materials Chemistry A’da
yayınlanan bu bulgular, yeni nesil gelişmiş şarj edilebilir enerji depolama
cihazları geliştirmek için faydalı olabilir.
Modern lityum iyon pillerin oluşturulması, birkaç bilimsel buluş sayesinde
mümkün hale gelmiştir. Nobel ödüllü John B. Goodenough ise tersine çevrilebilir
lityum iyonları içeren katot materyallerini geliştirmesi ile bu pillere katkı
sağlamıştır. Bu malzemelerin uygulanması, lityum metal gibi güvenli olmayan
anotların önlenmesine yardımcı olur. Bununla birlikte, sınırlı kapasite, orta
düzeyde döngü dengesi, düşük şarj-deşarj oranı, çevre dostu sorunlar vb.
sorunların hala çözülmesi gerekiyordu.
On yıllar boyunca, araştırmacılar daha iyi pil malzemeleri geliştirmek için çaba
sarf ediyorlar. Bu çalışmaların sonucunda farklı ve ilgi çekici özelliklere sahip
çeşitli katot malzemeleri önerilmiştir. Bununla birlikte, bu malzemelerle
oluşturulmuş piller, yalnızca çekilebilir katyonlara sahip tehlikeli, yüksek reaktifanotlar içerdiklerinde tam enerji yoğunluğuna ulaşabilirler. Katotlarda hareketli
metal iyonlarının bulunmaması sınırlı kapasiteye yol açar ve çoğu durumda,
başka türlü çekici materyallerin pratikteki uygulamalarını zorlaştırır.
Skoltech Enerji Bilimi ve Teknolojisi Merkezi’nde görev alan doktora öğrencisi
Keith Stevenson ve Roman Kapaev, bu sorunun çok çeşitli malzemeler için nasıl
çözülebileceğini gösterdi. Katotların, örneğin naftalin veya fenazin gibi aromatik
bileşiklerden türetilen alkali metal tuzları olan indirgeyici ajanların çözeltileriyle
işlemden geçirilmesi önerildi.
Yaklaşımın önemli bir avantajı ölçeklenebilir olmasıdır. Süreç karmaşık koşullar
gerektirmez ve nispeten güvenlidir. Ek olarak, indirgeyici maddeler katotlarla
reaksiyona girdikten sonra geri dönüştürülebilir, çünkü redoks kimyası tersine
çevrilebilir. Bu özellikler, büyük ölçekteki uygulamalar için umut verici olur.
Bu yaklaşım, geniş bir organik ve inorganik pil malzemeleri yelpazesi için
uygundur. Dahası, yalnızca lityum iyon piller için değil, aynı zamanda potansiyel
olarak daha sürdürülebilir ve daha düşük maliyetli enerji depolama cihazları olan
sodyum ve potasyum iyon piller için de geçerlidir. İndirgeyici maddelerin
miktarını veya oksidasyon potansiyellerini ayarlayarak katotlardaki metal
iyonlarının içeriğini kontrol etmek mümkündür.
Roman Kapaev, “Yaklaşım, çeşitli pil malzemelerinin performansını iyileştirmek
için kullanılabilecek güçlü bir araç olarak hizmet edebilir” diyor. “Aynı zamanda
geri dönüştürülebilir reaktifler içeren basit ve ucuz bir yöntemdir, bu nedenle
büyük ölçekli pratik uygulamalar için uygun olduğuna inanıyoruz.”
Kaynak
Kapaev, R. R. and Stevenson, K. J. (2021). Solution-based chemical
pre-alkaliation of metal-ion battery cathode materials for increased capacity. J.
Mater. Cem. A, 9, 11771-11777 https://doi.org/10.1039/d1ta01460a