Demir bazlı malzemelerin gelişimi yıllardır devam eden bir süreç halindedir. Araştırmacılar, demir bazlı pillerde kullanmak üzere, enerjisi daha yoğun malzeme tasarladılar. Yüksek enerji depolamanın faydaları lityum iyon pillerde kullanılabileceği gibi başka kullanım alanları da mevcuttur. Tıpta MRI teknolojisi, fizik ve mühendislik alanında ise hızlı trenlerde manyetik levitasyon*, süperiletkenlerin geliştirilmesinde de katkı sağlar.
Demir, elektronları serbest bırakıp geri emen redoks reaksiyonlarında görev alır. Vücudumuzda oksijenin taşınması, bitkilerin büyümesi ve bisikletin paslanmasına kadar birçok çeşitli olayda demir redoks tepkimeleri yer almaktadır.
Demir atomları redoks reaksiyonlarına tüm elektronları ile katılmaz. Araştırmacılar, demir atomunun daha fazla elektronu ile bu tepkimelere katılmasını sağlamak için çalışmalar yürütmektedir. Bu, aynı miktar malzemenin daha fazla elektron taşıyabileceği anlamına gelir. Bu sayede demir bazlı lityum pillerin depoladığı enerji miktarı artar ve pil daha yüksek voltajda çalışabilir.
Malzemenin kristal yapısındaki demir atomlarının birbirine yaklaşmaları önlenirse demir atomunun vereceği elektron sayısının artacağı saptanmıştır. Fakat demir atomlarını arasındaki mesafe azalırsa oksijen atomlarının demir yerine birbirine bağlanması gibi tepkimeler görülebilir ve demirin beklenen yüksek oksidasyon durumuna ulaşmasını engelleyerek kapasite artışına engel olur.
Yapılan çalışmalar sonucu geliştirilen yeni pil malzemesi, elektrokimyasal testlere tabi tutulduğunda teorik olarak elektron artışı izlenmesinin yanı sıra malzemenin kristal yapısında değişiklik gözlenmemiştir. Toplam beş elektronluk artışın sadece demirden değil, demir atomlarının yardımıyla oksijen atomlarından da geldiği keşfedilmiştir. Yani, demir atomları elektron verir ancak ekstra kapasiteyi sağlayan fazla elektronların kaynağı oksijen atomlarıydı.
Demir, son yıllarda elektrikli araçlar ve sabit depolama sistemlerinde kullanılan lityum iyon katotlarda kobalt ve nikelin yerini almaktadır. Bu yükselişin bir çok sebebi vardır. Bunlar demirin diğer metallere kıyasla daha ucuz olmasıyla birlikte kobalt tedariğinde yaşanan etik ve çevresel sorunlardan dolayı üreticileri daha sürdürülebilir alternatiflere yöneltmiştir.
Bu gelişmelerin bir sonucu olarak, bugün üretilen lityum iyon pillerin %40’ı lityum, demir ve fosfordan yapılmış katotlar kullanmaktadır ve bu en çok tercih edilen seçenek haline gelmektedir. Ancak, mevcut demir bazlı katotların istenenden düşük voltajlı olması, yüksek performans arayan üreticiler için zorluk oluşturmaktadır.
Uzmanlar, düşük maliyetli ve yüksek performanslı pil katotları elde etmek amacıyla, lityum, demir, antimon ve oksijenden oluşan “LFSO” adlı yeni bir malzemeyi sentezlediler.
İlk testler, bu yüksek voltajlı demir bazlı katotların kararlı olduğunu gösterdi. Araştırma ekibi, LFSO’nun yapısını ve işleyişini anlamak için X ışınları ve nötron ışınlarıyla detaylı incelemeler yaptı. Önceki başarısız versiyonların aksine, LFSO, şarj sırasında döngü boyunca kararlılığını korumaktadır ve temel yapısını sağlam tutar. Bu malzeme verilen elektron sayısını artırarak demiri yüksek bir oksidasyona sokmaktadır.2
Demir bazlı pil teknolojisindeki bu ilerlemeler, hem daha uygun maliyetli hem de daha çevre dostu enerji depolama çözümlerinin önünü açmaktadır. Özellikle yeni LFSO malzemesi gibi yüksek voltajlı katotların geliştirilmesi, lityum iyon pillerin enerji yoğunluğunu ve performansını artırarak birçok alanda gelecekteki enerji ihtiyaçlarını karşılamada önemli bir rol oynayacaktır.
*Manyetik levitasyon: Bir cismin manyetik kuvvetlerle havada asılı kalması.
Kaynaklar