Günümüzde artan enerji talebiyle beraber üretilen enerjinin depolanması bir hayli öneme sahiptir. Özellikle elektrik enerjisini depolama kapasitesi olarak çeşitli formlara, kapasitelere ve güç yoğunluklarına erişebilirlik nedeniyle şarj edilebilir piller büyük ilgi görmektedir ve üzerinde geniş araştırmalar yapılmaktadır. Bu pillerin kullanım alanları artırmak amaçlanırken aynı zamanda elektrokimyasal davranışlarını geliştirmek için de çeşitli yöntemler kullanılmaktadır.
Bir pil üretimi sırasında elektrokimyasal olarak aktif maddeler iki boyutlu (2D) akım toplayıcılar üzerine kaplanabilir bunun sonucunda ise etkin arayüzeylerin oluşma potansiyeli malzemenin elektrokimyasal özelliklerini olumsuz etkileyebilir. Bu gibi elektrokimyasal enerji depolama cihazlarının performansını olumsuz etkileyebilecek durumların azaltılması için üç boyutlu (3D) baskı tekniği kullanılması kritik öneme sahiptir.
Yapılan son araştırmalarda, elektrokimyasal enerji depolama cihazlarının daha hızlı kinetik ve iyon/elektron taşıma kapasitesini artırmasıyla öne çıkan 3D baskı teknolojisi, umut verici bir eklemeli imalat teknolojisi olarak nitelendirilmektedir. Bu teknoloji üretimdeki olağanüstü esnekliği, geometrik tasarım yeteneği, maliyet etkinliği ve çevre dostu olması pil teknolojilerinde avantaj sağlar.
Elektrokimyasal enerji depolama cihaz uygulamalarının hızla gelişmesi için yeni teknolojilerin ve malzemelerin bir araya getirilerek geliştirilmesi oldukça önemlidir. Bu cihazlar için kritik olan 3D baskı malzemelerinin şarj edilebilir piller için yapısal tasarımı ve uygulamalarıyla ilgili incelemelerin az olduğu bilinmektedir.
Southern Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Prof. Lin Zeng ve grubu, şarj edilebilir piller üretmek için 3D baskı teknolojisi kullanımı üzerinedir. Yapılan bu çalışma özellikle elektrolit/elektrot arayüzeyindeki kütle transferi olayının elektrokimyasal reaksiyon kinetiği ile incelenmesine dayanmaktadır1.
Zeng konu ile ilgili bir açıklamasında “Elektrokimyasal enerji depolama cihazlarının performansında önemli bir artışa yol açan ortak toplu taşıma mekanizmalarını araştırdık. Son yıllarda sürekli olarak lityum-metal piller, çinko-metal piller, katı hal piller, yüksek voltajlı katotlar, su elektrolizi ve yakıt hücreleri dahil olmak üzere çeşitli yönlerde araştırma bulguları ürettik.” dedi.
Ekip, araştırmaları sonucu 3D baskı kompozit çinko anotlar ve 3D baskı katı hal elektrolit membranlar gibi yeniliklerin piller alanında önemli katkılarda bulunduğunu belirtmiştir. Şarj edilebilir pillerdeki kritik bileşenler, elektrotlar (hem anot hem katot), membranlar/elektrolitler ve akım toplama elemanları için 3D mimariler tasarlamak ve üretmek yapıyı optimize etmek, pil performansını artırmak için etkili bir yöntem olduğu da kanıtlanmıştır. 3D teknolojisi geleneksel pillere oranla elektrolit geçirgenliği ve iyon difüzyonunu kolaylaştırmaktadır.
Bu araştırmayı destekleyici nitelikteki şekilde gösterilen 3D yapılar (ızgara, birbirine geçmiş, kıvrımlı, lifli, hiyerarşik sekizli kafes) belgelenmiştir. Izgara yapısı (a), herbiri Z ekseni boyunca iki dik paralel çizgiden oluşan ızgara katmanlarının düzgün bir biçimde üst üste getirilmesiyle oluşur. Yüksek özgül yüzey alanı oluşan bu yapı düzenli gözeneklere sahiptir ve bu özellikler elektrot yüzeyinde düzgün elektron dağılımını desteklemektedir. Yapı şarj ve deşarj işlemleri sırasında akım yoğunluğunu azaltarak aktif malzeme kullanımının iyileştirilmesinde rol oynar.
Birbirine geçmiş yapı elektrodu (b), birbirine bağlanan anot ve katot elektronlarına sahip 3D baskılı bir çerçeveden oluşur. Elektrotlar arasındaki temas alanını arttıran bu tasarım iyon transfer mesafesini azaltır böylece entegre hücrelerdeki direnç azalır.
Kıvrımlı yapıdaki elektrotlar (c) ise bileşen seviyesinde tersinir esneyebilirlik sergiler ve esnek elektroniklerdeki enerji depolama cihazlarına yönelik potansiyellerini ortaya koyar.
3D yoluyla elde edilen yapılardan olan lifli yapı (d) giyilebilir enerji depolama cihazlarının gereksinimlerini karşılar. Mükemmel esneklik, elektrokimyasal performans ve esneme kapasitesi için yeterli gözeneklilik gösterir.
Hiyerarşik sekizli kafes yapısı (e) kararlı üçgen mimarisiyle olağanüstü sertlik ve dayanıklılık sergiler. Benzersiz gözenekli yapısıyla enerji depolama cihazlarının uygulanmasında önemli avantaj sunar. Bu şekilde görüldüğü gibi 3D teknolojisi kullanılarak çeşitli karmaşık yapılar üretmek enerji depolama cihazları için önemli ve umut verici faydalar sağlamaktadır2.
Kaynaklar
1. https://techxplore.com/news/2023-10-3d-printed-critical-materials-rechargeable-batteries.html
2. Mu, Y., Chu, Y., Pan, L., Wu, B., Zou, L., He, J., … & Zeng, L. (2023). 3D printing critical materials for rechargeable batteries: from materials, design and optimization strategies to applications. International Journal of Extreme Manufacturing, 5(4), 042008.