Çok düşük sıcaklıklarda çalışan, yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir bataryaya yönelik görünüşte çelişkili gereksinimlere bir çözüm açıklandı. Çalışma hala seri üretimden uzak, ancak havacılığın elektrifikasyonunun önündeki ana engelin, diğer birçok potansiyel uygulamayla birlikte, sanıldığı kadar aşılmaz olmadığını öne sürüyor.
Lityum İyon Pil Nedir
Lityum-iyon pil, enerji depolamak için Li+ iyonlarının elektriksel olarak iletken katılara tersinir şekilde birleştirilmesini kullanan bir tür şarj edilebilir pildir. Şarj edilebilir pillerin baskın ticari şeklidir ve yaygın olarak taşınabilir elektroniklerde ve elektrikli ulaşımda kullanılır. Lityum-iyon piller, daha yüksek enerji yoğunluğu, daha yüksek enerji yoğunluğu, daha yüksek enerji verimliliği, daha uzun döngüsel ve takvim ömrü ile karakterize edilir. Pil bir anot, katot, ayırıcı, elektrolit ve iki akım toplayıcıdan (pozitif ve negatif) oluşur. Lityum iyonları pilin negatif ve pozitif terminalleri arasında hareket eder ve “ayırıcı” adı verilen bir yalıtım katmanı pilin iki tarafını ayırarak elektronları bloke eder ancak yine de lityum iyonlarının geçmesine izin verir.
Lityum-iyon piller dünyanın büyük bir kısmını fethetti ancak kutuplarda sorunları var. Sıcaklıklar düştüğünde daha yavaş şarj oluyorlar ve daha az enerji depoluyorlar. Soğuk havalarda kapasitelerinin azalması, insanların elektrikli araçlardan kaçınmasının sık sık dile getirilen bir nedenidir; ancak bu, soğuk Norveç’te bir sorun değildir. Normal soğuk havalarda sorunlar abartılırken çoğumuzun asla yaşamayacağını umduğumuz sıcaklıklarda durum daha da kötüleşiyor.
Kışın kullanım kısıtlamaları Antarktika’daki küresel enerji dönüşümü açısından gerçek bir sorun değil ancak jet irtifalarında da hava çok soğuk oluyor. Bataryaları büyük uçaklar için yeterince hafif hale getirme zorluğunun yanı sıra, havacılık ve uzay mühendisleri onları sıcak tutma ihtiyacıyla da uğraşmak istemiyor. Şimdi öyle görünüyor ki bunu yapmak zorunda olmayabilirler.
Lityum iyon pillerin soğuğa karşı bu kadar savunmasız olmasının nedeni, yüksek enerji yoğunluğu ve hızlı şarj etme yeteneği gibi daha önemli özelliklerin yalnızca dar bir çalışma sıcaklığı aralığında elde edilebileceğine inanılmasıdır. Çoğu pilin insanların yaşadığı sıcaklıklarda çalışması gerektiğinden bu, sıcaklık düştükçe performanslarının düşeceği anlamına gelir.
Sorun pil elektrolitlerinde yatıyor, ancak Zhejiang Üniversitesi’nden Profesör Xiuling Fan liderliğindeki bir ekip, “düşük çözme enerjisine sahip küçük solventlerden” yapılan bir elektrolitin tüm bunlarla başa çıkabileceğini savunuyor.
Mevcut elektrolitler lityum iyonlarını iyi iletir ve 25°C civarındaki sıcaklıklarda grafit anotlarla etkileşime girer, ancak sıcaklık düştükçe verimlilikleri bozulur. Yüksek konsantrasyonlu elektrolitler ve diğer alternatifler, anot arayüzünde donmayı önler, ancak bunu yalnızca daha viskoz olmaları ve dolayısıyla daha az yük taşımaları ve normal koşullar altında performansı düşürmeleri yoluyla önler.
Ekip, çeşitli solventlerin etkinliğini inceledi ve üç küçük solventin, iyonların hızlı hareketine izin veren Li+ taşıma kanalları oluşturabildiğini buldu. Bunlardan ikisi akü elektrolitlerine ilişkin diğer temel gereklilikleri karşılamıyor ancak floroasetonitrilin gerekli tüm kriterleri karşıladığı görülüyor. Kısaltmanın (FAN) iki ekip üyesinin adıyla aynı olması muhtemelen sadece mutlu bir tesadüftür.
Ekibe göre, FAN’ın elektrolit gösteri pilleri oda sıcaklığında mükemmel iyonik iletkenlik sergiliyor ve -80 ila 60°C arasındaki sıcaklıklarda bile iyi şarj ve deşarj olabiliyor. -70°C’de FAN, bazı alternatiflerden 10.000 kata kadar daha iyi performans gösterir.
Bu piller 6°C’de 3000 döngüden fazla dayandı.
South China Morning Post’un haberine göre Fan, Çince yayınlanan Science Times web sitesine, pilin “10 dakikada şarj edilerek şarj kapasitesinin yüzde 80’ine ulaşılabileceğini” söyledi.
İşin sırrı, lityum iyonlarının etrafında, seyreltik karbonat elektrolitlerde bulunanlardan daha küçük ve daha kolay taşınabilen, kılıf adı verilen iki tabakanın oluşmasıdır.
Lityum-iyon piller, depolayabilecekleri enerjiye kıyasla çok hafif oldukları için mevcut pil pazarına hakimdir. Bu onları dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları ve şimdi de elektrikli araçlar için paha biçilmez kılıyor. Bu hakimiyetin getirdiği ek araştırmalar ve üretimdeki ölçek ekonomisi, hızla büyüyen sabit pil pazarında da artık baskın teknoloji oldukları anlamına geliyor. Ancak gün boyunca güneş enerjisini yakalayıp akşam kullanan büyük piller söz konusu olduğunda, lityum iyon teknolojilerinin ardından daha ucuz malzemeler kullanan diğer birçok teknoloji de gündemde.
Feng’in ekibi, teknolojilerinin “genelleştirilebilir ve diğer metal iyon akü elektrolitlerine genişletilebileceğini” söylüyor; bu, kışın güç üretimini dengelemenin yollarını arayan daha soğuk bölgelerdeki şebeke operatörleri için iyi bir haber olabilir.
Bu yazı Nature adresinden derlenmiştir.