Araştırmacılar, sodyum-iyon bataryaları daha dayanıklı hale getirmenin yolunu kimyasal bileşimlerini değiştirmek yerine katot kristallerinin şeklini değiştirmekte buldu. Ekip, kritik bir kristal boyutunun kalınlığını azaltarak, sodyum iyonlarının malzemeye tekrar tekrar girip çıkmasıyla normalde oluşan iç gerilmeyi ve çatlamayı sınırlandırdı.
Araştırmacılar, sodyumun bol bulunması ve geleneksel bataryalarda kullanılan lityuma kıyasla potansiyel olarak daha ucuz olması nedeniyle sodyum iyon bataryalar için incelenen Na0.75Ni0.25Mn0.75O2 adlı katmanlı P2 tipi bir katot üzerinde çalıştı.
Sorun mekanik kaynaklı. Şarj ve deşarj sırasında sodyum iyonları katoda girip çıktıkça, kristal örgüsü tekrar tekrar genişleyip büzülüyor. Bu değişimlerin düzensiz gerçekleşmesi, tekil taneciklerin içinde gerilme yaratıyor. Zamanla bu gerilme çatlaklara yol açabiliyor, elektrolite yeni yüzeyler maruz bırakıyor ve batarya performansını düşüren tepkimeleri hızlandırıyor.
Wuhan Teknoloji Üniversitesi liderliğindeki bir ekip, kristalin c ekseni boyutunu kontrol etmenin bu hasarı önlemeye yardımcı olabileceğini keşfetti. Araştırmacılar yalnızca parçacıkları küçültmek yerine, kristal örgüdeki gerinimi daha eşit biçimde giderebilen daha ince ve prizma biçimli tanecikler oluşturdu.
Daha İnce Kristaller Bataryadaki Gerilimi Azaltıyor
Ekip, morfolojisi özel olarak tasarlanmış NaNMO (veya MT-NaNMO) üretti ve bunu aynı kimyasal bileşime sahip geleneksel bir numuneyle karşılaştırdı. Aradaki temel fark tanecik geometrisiydi.
Özel tasarlanmış malzemenin c ekseni boyunca ölçülen birincil tanecikleri yaklaşık 200 nanometre gelirken, geleneksel malzemede bu değer yaklaşık 800 nanometre olarak ölçüldü. X-ışını kırınımı, şarj ve deşarj sırasında her iki malzemenin de kristal yapısında benzer değişimler yaşadığını gösterdi. Bu durum, gelişimin taneciklerin ortaya çıkan gerilimi karşılama biçiminden kaynaklandığına işaret ediyor.
Mikroskopi incelemeleri farkı daha yakından ortaya koydu. Daha ince tanecikler daha kararlı kristal örgü yapılarını ve daha eşit gerinim alanlarını korurken, daha kalın taneciklerde bölgesel deformasyon ve gerilim oluştu.
Sonlu elemanlar analizi de bu bulguyu destekleyerek c ekseni boyutunu azaltmanın mekanik gerilmeyi tanecikler boyunca daha eşit dağıttığını gösterdi. Özel tasarlanmış malzeme, elektrokimyasal testler sırasında daha hızlı sodyum-iyon iletimi ve daha düşük direnç sergiledi.
Sonuç olarak döngü kararlılığında önemli bir gelişme sağlandı. Optimize edilen katot, 5 C gibi yüksek bir oranda 300 döngü sonrasında kapasitesinin %96,7’sini korudu.
Araştırmacılar, sodyum-iyon depolamasını katmanlı oksit malzemelerde tekrarlanan bir “nefes alma” hareketi olarak tanımladı. Daha kalın taneciklerde bu tekrarlayan genişleme ve büzülme, çatlaklar oluşana kadar gerilimin birikmesine yol açabiliyor. Hassas yönün kısaltılması, gerilimin yapısal hasara yol açmadan önce dağılması için daha fazla alan sağlıyor.
Batarya Tasarımında Yön Odaklı Yaklaşım
Bu yaklaşım, parçacık boyutunu sadece genel olarak küçültmeye alternatif bir yöntem sunabilir. Daha küçük parçacıklar mekanik gerilmeyi daha etkili biçimde giderebiliyor fakat yüzey alanının artması, elektrolitle istenmeyen tepkimeleri artırabiliyor ve paketleme yoğunluğunu azaltabiliyor.
Araştırmacılar, doğrudan c eksenini hedef alarak çekme gerilmesi ve iç çatlamalarla en yakından ilişkili olan yöne odaklandı. Böylece katot tasarımcıları, yalnızca daha küçük parçacıklara veya kimyasal bileşim değişikliklerine bağımlı kalmadan mekanik kararlılığı artırabilir.
Araştırmacılar malzemeyi, negatif elektrot olarak sert karbon kullanan tam bir hücrede de test etti. Hücre, yaklaşık 218,3 Wh kg⁻¹ enerji yoğunluğuna ulaştı ve 2 C oranında 300 döngü sonrasında kapasitesinin %92,6’sını korudu.
Sodyumun bol bulunmasının sınırlı batarya malzemelerine olan bağımlılığı azaltabileceği yenilenebilir enerji ve şebeke ölçeğinde depolama dahil çeşitli uygulamalar için sodyum-iyon bataryalar araştırılıyor. Çalışma, kristal geometrisini kontrol etmenin bu bataryaların uzun vadeli dayanıklılığını artırmada yeni bir araca dönüşebileceğini gösteriyor.
Çalışma, eScience Energy dergisinde yayımlandı.
Kaynak: https://interestingengineering.com/energy/sodium-ion-battery-crystal-grains
