Teknolojinin gelişmesi ile kablosuz elektronik cihazların çeşidi her geçen gün artmaktadır. Bu artan çeşitlilik ile kablosuz elektronik aletler küçülerek her alanda karşımıza çıkarken tasarımcılar ise sürekli olarak pillerin daha az alan kaplayarak daha fazla güç depolaması için yeni yollar aramaktadır. Ayrıca teknolojinin ilerlemesi ile giyilebilir ürünlerin artması sonucunda pil hem hafif olmalı hem de günlük kullanımda olabilecek darbelere ve çürümelere dayanıklı olmalıdır. Tüm bunların yanında en zor olan kısım ise pillerin küçüldükçe depolama kapasitesinin artmasının zorlaşmasıdır çünkü pilin kapladığı alanın büyük bir kısmı koruyucu ambalaj oluşturmaktadır.
Pensilvanya Üniversitesi Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu tarafından yürütülen araştırmada tüm bu zorluklar göz önünde bulundurularak en küçük boyutlarda bile en yüksek enerji depolama oranına sahip mikro pilleri oluşturmanın ve paketlemenin yolu bulundu. Araştırmacılar, pilin hassas kimyasallarını koruyan ve iletken olmayan ambalaj ihtiyacını azaltacak şekilde kabuk görevi görebilecek ve aynı zamanda enerji depolama oranını arttıran yeni bir tür akım toplayıcı ve katot tasarımı geliştirdiler. Bu sayede depolanabilecek enerji yoğunluğunun 4 kat artmış olduğu gözlemlendi.
Bu mikro piller, 130 µm kalınlığında %94 yoğun katkı maddesi içermeyen ve kristalografik olarak yönlendirilmiş LiCoO2’nin, aynı zamanda kabuk tabakası görevi gören ince metal folyolar üzerine elektrokaplamasıyla üretilir. Bu cihazlar 50-80 mg ağırlığı ve 20-40 µL hacmi ile 430-1050 Wh/l’lik bir enerji yoğunluğuna sahip olmaktadırlar. Bu sayede küçük cihazların performansını ciddi şekilde sınırlayan yetersiz güç kaynaklarının önüne geçilmiş olunur1.
Çalışma lideri James Pikul “Aslında çifte görev yapan akım toplayıcıları yaptık. Hem bir elektron iletkeni hem de su ve oksijenin pilin içine girmesini önleyen yalıtkan ambalaj görevini görüyorlar.” diyor2.
Mikro piller tarih boyunca ince elektrotlara ihtiyaç duymuştur. Ancak bu incelik daha az enerji depolamaya ve üretilmesi zor, tasarımı karmaşık olan piller anlamına gelir. Araştırmaların sonucunda araştırmacı ekip, hızlı iyon ve elektron taşınmasına izin verirken aynı zamanda kalın olmalarına da izin veren elektrotlar yapmak için yeni bir yol geliştirdiler.
Cook, “Bunun yerine, katodu doğrudan erimiş bir tuz banyosundan biriktiriyoruz. Bu bize geleneksel katotlara göre büyük bir avantaj sağlıyor çünkü bizim yaptığımız modellerde neredeyse hiç gözeneklilik veya hava boşluğu yok.” diyor.
Pikul, “Bu süreç aynı zamanda katodun ‘atomik yolunu’ belirliyor. Yani lityum iyonları, katottan cihaza en hızlı ve en doğrudan yollardan hareket edebilir, bu da yüksek enerji yoğunluğuna katkı sağlarken mikro pilin güç yoğunluğunu da iyileştirir.” diyor.
Araştırmacılar, yeniden tasarlanan bu bileşenlerin iyonları taşımadaki verimliliğini bağlı oldukları cihazlara güç sağlamak için gereken hızdan ödün vermeden enerji depolayan kimyasalların miktarını iki katına çıkaracak kadar kalın hale getirebilmesini açıklıyorlar. Yeni ambalajla birleştiğinde, bu mikro pillerin, yalnızca iki pirinç tanesi ağırlığındayken yüz kat daha büyük pillerin enerji ve güç yoğunluğuna sahip olduğu bildiriliyor.
Kaynaklar
- Xiujun Yue et al, A Nearly Packaging‐Free Design Paradigm for Light, Powerful, and Energy‐Dense Primary Microbatteries, Advanced Materials (2021). DOI: 10.1002/adma.202101760
- https://techxplore.com/news/2021-08-packaging-free-quadruples-microbatteries-energy-density.html
Hem performans olarak hem de boyut olarak değişerek gelişen pillerle alakalı harika bir haber olmuş (: