Enerji depolama teknolojilerinde ibre, sıvı elektrolitli lityum-iyon pillerden daha güvenli ve verimli olan ‘katı hal’ (solid-state) pillere dönerken, Stanford Üniversitesi'nden endüstriyi heyecanlandıran bir Ar-Ge haberi geldi. Araştırma ekibi, katı hal pillerinde kullanılan seramik elektrolitlere uygulanan ultra ince gümüş kaplamanın ve ısıl işlemin, pil ömrünü kısaltan yapısal sorunları ortadan kaldırdığını kanıtladı.
Bu yeni yöntem, özellikle elektrikli araçların hızlı şarj süreçlerinde kritik önem taşıyan mekanik dayanıklılığı maksimize etmeyi hedefliyor.
SERAMİK ELEKTROLİTLERİN 'PORSELEN' ZAAFI
Katı hal pillerinde lityum iyonlarının hareketini sağlayan seramik elektrolitler, verimli olmalarına rağmen yapısal olarak evlerde kullanılan porselen tabaklar gibi kırılgandır. Üretim veya kullanım sırasında oluşan mikroskobik yüzey çatlakları, stres altında büyüyerek pilin kısa devre yapmasına veya tamamen bozulmasına neden olabiliyor.
Stanford Makine Mühendisliği Doçenti Wendy Gu, endüstriyel zorluğu şu sözlerle özetledi: "Gerçek dünyadaki katı hal piller, üst üste dizilmiş katmanlardan oluşur. Bunları en ufak kusur olmadan üretmek neredeyse imkansız ve maliyetli. Bu nedenle malzemeyi değiştirmek yerine koruyucu bir yüzey geliştirmeye odaklandık."
3 NANOMETRELİK GÜMÜŞ KALKAN
Araştırmacılar, ‘LLZO’ adı verilen seramik elektrolit yüzeyine sadece 3 nanometre kalınlığında bir gümüş film uyguladı. Ardından numuneler 300°C sıcaklıkta tavlama işlemine tabi tutuldu. Bu süreç, gümüş iyonlarının elektrolite yayılmasını ve daha küçük lityum atomlarının yerini almasını sağladı.
Yaklaşık 20 ila 50 nanometre derinliğe ulaşan bu iyon değişimi, malzeme yüzeyinde pozitif yüklü iyonlardan oluşan yapısal bir bariyer oluşturdu. Bu bariyer, lityumun yüzey kusurlarına sıkışmasını ve pil arızalarının temel nedeni olan ‘dendrit’ (dalımsı yapı) oluşumunu engelliyor.
DAYANIKLILIKTA BEŞ KAT ARTIŞ
Taramalı elektron mikroskobu ve özel problarla yapılan dayanıklılık testleri çarpıcı sonuçlar verdi. Gümüşle işlenen elektrolitlerin, işlenmemiş versiyonlara göre çatlamaya karşı beş kat daha dirençli olduğu tespit edildi.
Araştırmayı yöneten Xin Xu, "Çalışmamız, nano ölçekli gümüş dopinginin, elektrolit yüzeyinde çatlakların nasıl başladığını ve yayıldığını temelden değiştirebileceğini gösteriyor. Bu yöntemle hızlı şarj ve yüksek basınç altında kararlı kalan piller üretilebilir" dedi.
HEDEF: 10 YIL DAYANAN OTOMOBİL PİLİ
Ekip, laboratuvar ortamındaki küçük ölçekli başarıyı şimdi tam boy pil hücrelerine taşıyor. Nihai hedef, bu gümüş kalkan teknolojisinin bir otomobilin 10 yıllık ömrü boyunca ihtiyaç duyduğu binlerce şarj döngüsüne dayanıp dayanamayacağını doğrulamak.
Teknolojinin ölçeklenebilir olması durumunda, sadece lityum bazlı piller değil, daha ucuz ve bol bulunan ancak benzer kırılma sorunları yaşayan sodyum bazlı piller için de yeni bir dönemin kapısı aralanmış olacak.
