Çinli araştırmacılardan oluşan bir ekip, harici basınç gerektirmeden çalışan ve sıvı benzeri iyonik iletkenlik sağlayan esnek, kompozit bir katı elektrolit geliştirdi. Bu gelişme, genellikle hızlı iyon iletimi ile mekanik kararlılık arasındaki dengeyi kurmakta zorlanan tamamen katı hal lityum bataryaların tasarımını basitleştirebilir.
Katı elektrolitler, yanıcı sıvı elektrolitlerin yerini aldıkları için daha güvenli ve yüksek enerjili bataryalar açısından kritik önem taşıyor ancak yüksek iletkenliğe sahip pek çok katı materyal kırılgandır ve batarya bileşenleri arasındaki teması korumak için yüksek bir yığın basıncı gerektirir. Bu durum sistemin karmaşıklığını ve maliyetini artırıyor.
Yeni tasarım, katmanlı bir yapı içinde iyon iletimini mekanik esneklikten ayırarak söz konusu kısıtlamayı aşıyor. Ekip, her şeyi tek bir malzemenin yapmasına güvenmek yerine, farklı katmanlara farklı görevler atayan kompozit bir mimari inşa etti. Elektrolit, polietilen oksit (PEO) tabakaları ile dikey olarak hizalanmış LiMPS (burada M, Cd veya Mn’dir) tabakalarından oluşuyor. İnorganik nano tabakalar kesintisiz süperiyonik yollar oluştururken, polimer katmanlar esneklik sağlıyor ve elektrot temasının korunmasına yardımcı oluyor.
Sıvı Seviyesinde İletkenlik Yakalandı
Yapılan testlerde, PA-LiCdPS/PEO versiyonu 25°C’de 10.2 mS cm-1 iyonik iletkenlik değerine ulaştı. Bu seviye, sıvı elektrolitlerle kıyaslanabilir bir performansı temsil ediyor. Manganez kullanılan benzer bir yapı olan PA-LiMnPS/PEO ise aynı sıcaklıkta 6.1 mS cm-1 değerine ulaşarak, yapısal konseptin farklı kimyasal bileşimlerde de çalıştığını kanıtladı.
Materyal, iletkenliğin ötesinde mekanik esnekliğini de korudu. Esneklik, batarya hücrelerinin döngü sırasında meydana gelen elektrot hacim değişikliklerine, büyük bir harici basınca ihtiyaç duymadan uyum sağlamasına imkan tanıdı. Yüksek iletkenliğe sahip çoğu katı elektrolitin düzgün çalışması için birkaç yüz MPa’ya kadar ulaşan harici basınca ihtiyacı vardır.
Araştırmacılar, elektroliti çalışan batarya hücrelerinde test etti. PA-LiCdPS/PEO materyali kullanılan lityum metal hücreler, 0.5 MPa altındaki yığın basıncında 600 döngü sonunda kapasitesinin yüzde 92’sini korudu. Aynı elektrolit, 0.1 MPa altındaki basınçlarda dahi basınçsız çalışan lityum demir fosfat (LiFePO4) keseli hücrelerin (pouch cells) çalışmasını sağladı.
Basınçsız Batarya Kullanımı
Yüksek yığın basıncı olmadan çalışabilmek karmaşık düzeneklere ve ağır kenetleme sistemlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırıyor. Böylelikle üretim basitleşebilir ve katı hal batarya paketlerinin ölçeklendirilmesi kolaylaşabilir.
Ekip ayrıca, sülfür bazlı elektrolitlerin ortak zayıflığı olan hava hassasiyetine de odaklandı. Geleneksel sülfür materyalleri nemli havada dakikalar içinde bozulabiliyor ve genellikle hidrojen sülfür gazı açığa çıkarıyor. Buna karşın, PA-LiMPS/PEO elektrolitleri nemli havaya yedi gün maruz kaldıktan sonra bile ihmal edilebilir düzeyde gaz salınımıyla yüksek iletkenliğini korudu.
Araştırmacılar, “biyomimetik esnek bir çerçeve” içinde kesintisiz süperiyonik yollar inşa ederek, yüksek iyonik iletkenlik ile mekanik uyumun birbirine engel olmak zorunda olmadığını gösterdi. Katmanlı mimari, bir özellikten ödün vermek yerine her ikisinin bir arada bulunmasına izin veriyor. Yaklaşım ölçeklendirilebilirse güvenlik, dayanıklılık ve basitleştirilmiş montajın esas olduğu elektrikli araçlarda ve şebeke depolama sistemlerinde katı hal bataryalarını pratik kullanıma bir adım daha yaklaştırabilir.
Çalışma Nature Nanotechnology dergisinde yayınlandı.
Kaynak: https://interestingengineering.com/transportation/flexible-superionic-composite-electrolyte
