Katı hal pillerde lityum hareketi ilk kez gerçek zamanlı izlendi

Elektrikli araç ve enerji depolama sektörlerinde daha güvenli, yüksek kapasiteli ve uzun ömürlü bataryalar geliştirme çalışmaları sürerken, tam katı hal pillerin iç yapısına ilişkin önemli bir gelişme kaydedildi. Fransa merkezli Institut Laue-Langevin araştırmacıları, nötron tabanlı bir görüntüleme yöntemi kullanarak çalışan bir pilin içindeki lityum iyonlarının hareketini ilk kez gerçek zamanlı olarak izledi. Tam katı hal piller, mevcut şarj edilebilir bataryalarda kullanılan sıvı elektrolitlerin yerine katı malzemelerin kullanılmasına dayanıyor. Bu teknoloji daha yüksek enerji yoğunluğu, gelişmiş güvenlik ve yüksek sıcaklıklara dayanıklılık vadediyor. Ancak lityum iyonlarının katı yapı içinde düzensiz hareket etmesi ve pilin farklı bölgelerinin aynı hızda şarj olmaması, seri üretimin önündeki temel sorunlardan biri olarak görülüyor.

NÖTRONLARLA PİLİN İÇİ GÖRÜNTÜLENDİ

Araştırma ekibi, pil şarj ve deşarj olurken iç yapıda meydana gelen değişiklikleri incelemek için operando nötron toz difraksiyonu yöntemini kullandı. Geleneksel X-ışınları, lityum gibi hafif elementleri tespit etmekte yetersiz kalabiliyor. Nötronlar ise doğrudan atom çekirdekleriyle etkileşime girdiği için pilin yalnızca yüzeyini değil, iç bölümünün tamamını tahribatsız biçimde incelemeye imkan sağlıyor. Bu yöntem sayesinde lityum iyonlarının pil içindeki hareketi, cihaz çalışır durumdayken gerçek zamanlı olarak takip edildi.

ENDÜSTRİYEL KALINLIKTA HÜCRE ÜRETİLDİ

Deney için yaklaşık 2,5 milimetre kalınlığında ve 140 miligram aktif katot malzemesi içeren bir pil hücresi hazırlandı. Bu ölçüler, laboratuvar çalışmalarında kullanılan ince hücrelere kıyasla endüstriyel uygulamalara daha yakın bir yapı oluşturdu. Kalın elektrotlarda ortaya çıkan yüksek iç direnci azaltmak amacıyla, geleneksel katı elektrolitlerden yaklaşık altı kat daha yüksek iyonik iletkenliğe sahip karışık halojenür argyrodit kullanıldı. Böylece lityum iyonlarının hücre içinde hareket edebilmesi sağlandı.

İKİ FARKLI ŞARJ FAZI ORTAYA ÇIKTI

Deneylerde, pil çok düşük hızda şarj edilmesine rağmen lityum iyonlarının elektrot içinde düzenli biçimde dağılmadığı görüldü. Elektrot yapısının H1 ve H2 olarak adlandırılan iki farklı faza ayrıldığı belirlendi. Pilin farklı bölgeleri elektrik akımındaki dengesizlik nedeniyle farklı hızlarda şarj oldu. Bu sonuç, katı hal pillerde performans kaybına yol açan sorunlardan birinin hücre içindeki düzensiz lityum dağılımı olduğunu ortaya koydu.

SICAKLIK ARTTI, AKIŞ DENGELENDİ

Araştırma ekibi aynı deneyi 100 santigrat derece sıcaklıkta tekrarladığında iki fazlı düzensiz yapının ortadan kalktığını gözlemledi. Yüksek sıcaklık, malzemenin iyonik iletkenliğini artırarak lityum iyonlarının hücre içine daha dengeli yayılmasını sağladı. Elektrot yapısı daha tekdüze biçimde şarj olurken, sülfür bazlı katı elektrolitte herhangi bir bozulma tespit edilmedi.

TERMAL YÖNETİMİN ÖNEMİ ORTAYA ÇIKTI

Çalışma, tam katı hal pillerdeki düzensiz şarj sorununun yalnızca malzeme seçimiyle değil, sıcaklık ve iletkenlik yönetimiyle de bağlantılı olduğunu gösterdi. Araştırmacılar, elde edilen sonuçların pil hücrelerinin termal yönetim sistemlerinin geliştirilmesine ve lityum iyonlarının daha dengeli hareket etmesini sağlayacak yeni tasarımların oluşturulmasına katkı sağlayabileceğini belirtiyor. Yeni yöntemin, tam katı hal pillerin içindeki yapısal değişikliklerin çalışma sırasında incelenmesine ve seri üretim öncesindeki performans sorunlarının daha ayrıntılı biçimde analiz edilmesine imkan sağlaması bekleniyor.