Dünya genelinde elektronik cihazlardan elektrikli araçlara kadar pek çok alanda kullanılan lityum-iyon (Li-ion) piller, enerji depolama teknolojisinde sınırlarına yaklaşırken, bilim insanları alternatif çözümler geliştirmek için çalışmalarını hızlandırıyor. Bu kapsamda, lityum-kükürt (LSB) piller, sundukları yüksek kapasite ve enerji yoğunluğuyla dikkat çekiyor.
LSB pillerin teorik kapasitesi 1675 mAh/g ve enerji yoğunluğu 2500 Wh/kg seviyelerine ulaşabiliyor. Ancak bu piller, düşük iletkenlik, hacim genişlemesi ve "mekik etkisi" gibi önemli sorunlarla karşı karşıya kalıyor. Özellikle Li₂S₂ ve Li₂S gibi yalıtkan kükürt ara maddeleri iyon taşınmasını engellerken, katot çevrim sırasında %80 oranında genişliyor ve kendi kendine deşarja yol açarak pilin verimliliğini ve ömrünü olumsuz etkiliyor.
YENİ KATOT MALZEMESİ GELİŞTİRİLDİ
Çin'in Şanghay Jiao Tong Üniversitesi'nden bir ekip, bu sorunları çözmek amacıyla titanyum dioksit (TiO₂) ve nanogözenekli karbonu birleştiren metal-organik çerçeve türevi (MOF türevi) hiyerarşik gözenekli bir yapı geliştirdi. Bu tasarım, yüksek kükürt yüklemesi, artırılmış iletkenlik ve gelişmiş kararlılık sunarken kükürt tutulumunu da en üst seviyeye çıkarıyor.
Katot malzemesinin geliştirilmesi çok aşamalı bir süreçle gerçekleşti. Bilim insanları, ilk olarak oda sıcaklığında N,N-dimetilformamid ve metanol karışımında ftalik asit ve tetrabutiltitanatı karıştırarak MOF öncüllerini sentezledi. Karışım, ultrasonik işlem ve yoğun karıştırma sonrası 155°C’de 20 saat boyunca hidrotermal kazanda ısıtıldı. Yıkanıp kurutulan MOF öncülleri, nitrojen atmosferinde 500°C’de 12 saat boyunca karbonize edilerek TiO₂@NPC elde edildi.
Son aşamada ise TiO₂@NPC, süblimleşmiş kükürtle 3:7 oranında karıştırıldı, vakum altında kapatıldı ve 160°C’de 12 saat ısıtılarak TiO₂@NPC@S yapısı oluşturuldu.
ÜSTÜN YAPISAL ÖZELLİKLER
Geliştirilen malzemenin yapısal özellikleri, ileri seviye analiz teknikleriyle doğrulandı. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve İletim Elektron Mikroskobu (TEM) görüntülemeleri, kükürdü etkili bir şekilde tutan üç boyutlu gözenekli bir yapı ortaya koydu. X-ışını kırınımı (XRD) analizi, TiO₂@NPC'nin anataz yapısını doğrularken, TiO₂@NPC@S'deki zayıf kükürt ile ilgili kırınım tepeleri kükürdün iyi bir şekilde dağıldığını gösterdi.
Termogravimetrik analiz (TGA) ile kükürt içeriği %64,09 olarak ölçülürken, Brunauer-Emmett-Teller (BET) analizi, elektrolit infiltrasyonunu ve kükürt genişlemesini destekleyen 155,34 m²/g'lik yüksek bir yüzey alanı tespit etti.
TESTLERDE BAŞARILI
Yapılan elektrokimyasal testler, geliştirilen TiO₂@NPC@S elektrodunun üstün performansını ortaya koydu. 0,5 C’de gerçekleştirilen şarj-deşarj testlerinde 1327,35 mAh/g başlangıç kapasitesi elde edildi.
Üniversite tarafından yapılan açıklamada, "300 döngüden sonra bile kapasite, döngü başına sadece %0,16 oranında düşüşle 601,54 mAh/g seviyesinde kaldı. Bu sonuç, ticari Y-50@S malzemesinden çok daha iyi bir performans anlamına geliyor" ifadelerine yer verildi.
Hız performans testlerinde ise TiO₂@NPC@S, 1 C’de 928 mAh/g ve 1,5 C’de 743 mAh/g kapasite gösterdi. Buna karşılık, Y-50@S elektrodunun kapasitesi yüksek hızlarda hızla azaldı.
GELECEK VAAT EDİYOR
Yeni geliştirilen TiO₂@NPC@S katot malzemesi, yüksek kapasite, kararlılık ve döngü ömrü sunarak Li-S pillerin geleceğinde önemli bir rol oynayacak gibi görünüyor. Araştırmacılar, bu teknolojinin enerji depolama sistemlerinden elektrikli araçlara kadar geniş bir yelpazede devrim yaratabileceğini belirtiyor.
