Akıllı telefonlardan elektrikli otomobillere kadar modern dünyanın enerji ihtiyacını karşılayan lityum-iyon piller, yüksek üretim maliyetleri ve sıvı elektrolitlerden kaynaklanan yangın riskleri nedeniyle endüstrinin en büyük darboğazlarından biri olmaya devam ediyor. Bu sorunlara çözüm olarak sunulan ‘tamamen katı hal’ (all-solid-state) piller ise şimdiye kadar yüksek maliyet ve performans dengesizliği kıskacındaydı.
Güney Kore Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (KAIST) Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü'nden Profesör Dong-Hwa Seo liderliğindeki araştırma grubu, Seul Ulusal Üniversitesi, Yonsei Üniversitesi ve Dongguk Üniversitesi ile iş birliği içinde bu denklemi değiştirecek bir başarıya imza attı.
SIVI YERİNE KATI, PAHALI YERİNE AKILCI ÇÖZÜM
Geleneksel pillerde lityum iyonlarının hareketi için riskli sıvı elektrolitler kullanılırken, katı hal pillerde bu yapı daha güvenli olan katı malzemelerle değiştiriliyor. Ancak iyonların katı maddeler içindeki hareketi daha zor olduğu için, bugüne kadar bu akışı sağlamak adına pahalı metallere ihtiyaç duyuluyordu.
Koreli ekip, sorunu pahalı malzemelerle değil, ‘yapısal tasarım’ ile çözdü. Araştırmacılar, ucuz maliyetli zirkonyum (Zr) bazlı halojenür katı elektrolitlerin kristal yapısını değiştirmek için oksijen ve kükürt gibi ‘iki değerlikli anyonlar’ kullandı.
ÇERÇEVE DÜZENLEME MEKANİZMASI
Geliştirilen ve ‘Çerçeve Düzenleme Mekanizması’ olarak adlandırılan bu yeni prensip, elektrolitin iç yapısı üzerinde hassas bir kontrol sağlıyor.
Oksijen ve kükürt katkılarıyla kristal yapı modifiye edilerek, lityum iyonlarının geçeceği yollar genişletildi ve hareket için gereken enerji bariyeri düşürüldü. Böylece iyonların malzeme içinde çok daha hızlı ve kolay hareket etmesi sağlandı.
İYON HAREKETLİLİĞİNDE DÖRT KAT ARTIŞ
Yüksek enerjili senkrontron X-ışını kırınımı ve atomik modelleme teknikleriyle doğrulanan test sonuçları, endüstriyel uygulama potansiyelini gözler önüne serdi. Oksijen veya kükürt içeren yeni elektrolitlerin, geleneksel zirkonyum bazlı versiyonlara kıyasla lityum iyon hareketliliğini iki ila dört kat artırdığı tespit edildi.
Oda sıcaklığında 1 mS/cm'nin üzerindeki iyonik iletkenlik değerleri ‘pratik kullanım’ için yeterli kabul edilirken; oksijen katkılı elektrolit 1,78 mS/cm, kükürt katkılı versiyon ise 1,01 mS/cm iletkenlik değerine ulaştı.
‘ENDÜSTRİYEL POTANSİYELİ ÇOK YÜKSEK’
Çalışmanın önemine değinen Profesör Dong-Hwa Seo, "Bu araştırma sayesinde, ucuz hammaddeler kullanarak tamamen katı haldeki pillerin maliyetini ve performansını aynı anda iyileştirebilecek bir tasarım prensibi sunduk. Endüstriyel uygulama potansiyeli çok yüksek" değerlendirmesinde bulundu.
Araştırmanın baş yazarı Jae-Seung Kim ise bu gelişmenin, pil teknolojisinde ‘hangi malzemeleri kullanmalı’ sorusundan ‘malzemeyi nasıl tasarlamalı’ sorusuna doğru stratejik bir kaymayı temsil ettiğini vurguladı.
