Helmholtz-Zentrum Berlin’de (HZB) çalışan araştırmacılar, lityum-kükürt (Li-S) pillerin çalışma sırasında içindeki sıvı elektrolitin hareketini ilk kez operando nötron tomografisi ile gözlemledi. Elde edilen bulgular, Li-S pillerin neden erken arızalandığına dair uzun süredir cevaplanamayan sorulara ışık tutuyor.
ENERJİ YOĞUNLUĞUNDA YENİ DÖNEM
Li-S piller, lityum-iyon pillere göre iki katı fazla enerji yoğunluğu sunma potansiyeline sahip. 700 Wh/kg’a kadar çıkabilen bu pil teknolojisi, havacılıktan robotik ve elektrikli araçlara kadar pek çok alanda büyük bir ilgiyle takip ediliyor. Kükürtün ucuz ve bol bulunması, kobalt ve nikel gibi pahalı metallerin yerine kullanılabilmesi anlamına geliyor.
ISLATMA SÜRECİNDE KRİTİK NOKTALAR
Pratikte, daha hafif ve kompakt piller için aktif olmayan malzeme olarak kullanılan elektrolit miktarının azaltılması hedefleniyor. Ancak, daha az elektrolit hücreleri tam olarak ıslatmayı zorlaştırıyor. Bu durum, elektrokimyasal reaksiyonların verimsizleşmesine ve pilin hızla bozulmasına neden olabiliyor.
HZB Kimya Profesörü Yan Lu, “Kapalı bir bataryada ıslanmayı, bataryaya zarar vermeden gözlemlemek neredeyse imkansızdı” diyor.
GERÇEK ZAMANDA ANALİZ
Ekip, endüstriyel parametrelere sahip çok katmanlı poşet tipi Li-S hücreler tasarladı ve Grenoble’daki Institut Laue-Langevin’de nötron tomografisi ile hücrelerin şarj ve deşarj döngülerini gerçek zamanlı olarak izledi.
Nötron görüntüleme tekniği sayesinde lityum ve hidrojen gibi hafif elementler tespit edilebildi. Araştırmacılar, elektrolit dağılımının döngü sırasında nasıl değiştiğini, ıslak ve kuru bölgelerin zaman içindeki dinamiklerini ayrıntılı şekilde gözlemledi.
PİL ÖMRÜNE IŞIK TUTAN KEŞİF
Dinlenme aşamasında bazı bölgelerin tam ıslatılmadığı, kısa süreli dinlenmelerin ise ıslatmayı iyileştirdiği gözlemlendi. Şarj ve deşarj döngüleri ise elektrolitin daha homojen dağılmasını ve kükürdün etkinliğinin artmasını sağladı. Araştırmacılar ayrıca, Li-S pillerde döngü boyunca benzersiz “nefes alma” ve “nefes verme” ıslanma kalıplarının ortaya çıktığını kaydetti.
Baş araştırmacı Dr. Liqiang Lu, “Li-S sistemlerinin dinamik elektrolit ıslatma davranışı, geleneksel Li-ion pillerden oldukça farklı” diye vurguladı.
GELECEK NESİL PİLLER İÇİN REHBER
Bu çalışma, yüksek enerji yoğunluğuna ve uzun ömre sahip yeni nesil Li-S pillerin daha verimli tasarlanmasına olanak sağlayacak önemli içgörüler sunuyor. Araştırmacılar, bu bulguların pil üreticilerine, elektrolit davranışını tahribatsız ve gerçek zamanlı analiz ederek ürünlerini nasıl optimize edecekleri konusunda değerli bir yol haritası sunduğunu belirtiyor.
