Lityum pillerde iyonları 10 bin kat hızlandıran mekanizma

Elektrikli araçlar, yenilenebilir enerji depolama sistemleri ve taşınabilir elektronik cihazlarda şarj hızı ile güvenlik sorunlarına yönelik önemli bir gelişme sağlandı. Güney Kore’deki Sogang Üniversitesi’nden Prof. Bong June Sung ile Japonya Moleküler Bilimler Enstitüsü’nden Prof. Shinji Saito liderliğindeki araştırma grubu, yeni nesil katı pil malzemelerinde lityum iyonlarının hareketini belirleyen fiziksel mekanizmayı ortaya çıkardı.

SIVI ELEKTROLİTLER GÜVENLİK RİSKİ TAŞIYOR

Günümüzde yaygın olarak kullanılan lityum iyon bataryalar, sıvı elektrolit mimarisine dayanıyor. Yüksek performans sağlayan bu elektrolitler, aşırı ısınma, darbe veya kısa devre durumlarında alev alma ve patlama riski taşıyor. Bu sorunu ortadan kaldırmak amacıyla geliştirilen Organik İyonik Plastik Kristaller ise yumuşak katı yapıları sayesinde sıvıların esnekliği ile katı malzemelerin güvenliğini bir araya getiriyor. Ancak bu malzemelerde iyon iletim hızının düşük kalması, ticari kullanımın önündeki temel engellerden biri olarak görülüyordu.

İYONLAR KAFESLERİN AÇILMASIYLA HAREKET EDİYOR

Sektörde uzun süredir kabul gören çark teorisi, lityum iyonlarının moleküllerin dönme hareketiyle taşındığını varsayıyordu. Güney Koreli ve Japon araştırmacıların süper bilgisayar simülasyonlarıyla gerçekleştirdiği hop-fonksiyon analizi ise bu yaklaşımın geçerli olmadığını ortaya koydu. Araştırmaya göre lityum iyonları, dönme hareketiyle itilmek yerine çevrelerindeki negatif yüklü iyon kafeslerinin anlık olarak açılıp kapanmasıyla hareket ediyor. Moleküler kafeslerin açıldığı kısa sürelerde lityum iyonlarının iletim hızı normal seviyesinin 10 bin katına ulaşıyor.

MALZEME TASARIMINDA YENİ YÖNTEM

Atomik düzeyde ortaya çıkarılan bu mekanizma, batarya üreticilerinin malzeme geliştirme süreçlerinde deneme-yanılma yöntemleri yerine hedef odaklı tasarımlara yönelmesine imkân sağlayacak. Araştırmacılar, moleküllerin dönüş hareketini artırmak yerine iyonların geçişini kolaylaştıran anlık kafes açıklıklarını çoğaltacak sentetik yapılar geliştirmeye odaklanacak. İyon transferinin hızlandırılmasıyla dakikalar içinde şarj olabilen, alev alma riski taşımayan ve daha uzun çevrim ömrüne sahip katı hal pillerinin geliştirilmesi amaçlanıyor.

ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA KULLANILABİLİR

Yeni mekanizmanın elektrikli araçlarda şarj sürelerinin kısaltılmasına ve güvenliğin artırılmasına katkı sağlaması bekleniyor. Araştırmacılar, geliştirilen analitik yöntemin diğer katı elektrolit türlerine de uygulanabileceğini belirtiyor. Bulguların yeni nesil batarya malzemelerinin geliştirilmesinde ve katı hal pillerinin seri üretime hazırlanmasında kullanılabileceği ifade ediliyor.