Koreli araştırmacılar, yüksek enerji yoğunluğuna sahip anotsuz katı hâl batarya geliştrdi

Güney Koreli araştırmacılar, yalnızca 2,77 mikrometre kalınlığında anotsuz katı hâl batarya geliştirdi. Prototip, 100 şarj-deşarj döngüsünün ardından 235,13 Wh/L enerji yoğunluğuna ulaştı.

Anotsuz mimariye sahip bu katı hâl batarya, yalnızca 2,77 mikrometre kalınlığındaki yapısıyla 100 şarj-deşarj döngüsünün ardından 235,13 Wh/L hacimsel enerji yoğunluğuna ulaşmayı başardı.

Güney Koreli Araştırmacılar, Lityum Birikimini Kontrol Eden Yeni Bir Katman Geliştirdi

Anotsuz katı hâl bataryalarda, katottaki lityum ilk şarj sırasında anot tarafındaki akım toplayıcı yüzeyine taşınarak burada birikiyor ve kullanım sırasında anot görevini üstleniyor. Bu yaklaşım, üretimi basitleştirirken hacimsel enerji yoğunluğunu da artırıyor. Ancak lityumun bu yüzeyde düzensiz bir şekilde birikmesi, bataryanın zamanla kapasite kaybetmesine neden olabiliyor. Şarj sırasında oluşan düzensiz lityum birikintileri, deşarj sırasında tamamen geri çözülmeyebiliyor. Elektriksel bağlantısını kaybederek bataryanın geri kalanından yalıtılan bu lityum parçaları, "ölü lityum" olarak adlandırılıyor. Bunun sonucunda bataryada kullanılabilir lityum miktarı azalırken elektrot ile katı elektrolit arasındaki temas da bozulabiliyor. Ayrıca kontrolsüz lityum büyümesi, elektrolit içerisinde ilerleyerek iç kısa devrelere yol açabilen filamentlerin oluşmasına da zemin hazırlıyor.

Dongguk Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, bu sorunu çözmek için bakır akım toplayıcının üzerine kalay ve karbon içeren son derece ince bir ara katman yerleştirdi. Araştırmacıların geliştirdiği bu tasarımda kalay, lityumun birikmeye başlamasını kolaylaştıran çekirdeklenme noktaları oluştururken karbon, lityumun yüzey üzerinde daha dengeli dağılmasına yardımcı oluyor. Böylece şarj sırasında düzensiz birikimin azaltılması sağlanıyor.

Araştırmanın başyazarı Hyun-Suk Kim, geliştirilen ara katmanın lityumun birikmesi için bir tür başlangıç noktası görevi gördüğünü ve tekrarlanan şarj-deşarj işlemlerinde bu sürecin daha geri döndürülebilir hâle gelmesini sağladığını belirtiyor. Ekip, farklı metal, karbon ve hibrit kaplamaları da değerlendirdikten sonra kalay-karbon kombinasyonunun en başarılı sonuçları verdiğini tespit etmiş.

Bataryanın Ömrünü Uzatmak İçin Üretim Öncesinde Lityum Takviyesi de Yapıldı

Araştırmacılar, geliştirdikleri tasarımın bir diğer önemli bileşeni olarak ön lityumlama (prelithiation) adı verilen bir yönteme başvurdu. Bu işlemde bataryanın ilk şarj-deşarj döngülerinde yaşanabilecek geri döndürülemez lityum kayıplarını telafi etmek amacıyla akım toplayıcıya önceden az miktarda metalik lityum ekleniyor. Böylece batarya çalışmaya başladığında kullanılabilecek ek bir lityum rezervi oluşturuluyor. Bu da özellikle başlangıçta anot içermeyen bataryalar açısından önemli bir avantaj sağlayabiliyor.

Ekip, kalay-karbon kaplı bakır akım toplayıcıyı (Cu@Sn/C), lityum vanadyum oksit (LVO) katot ve lityum fosfor oksinitrür (LiPON) katı elektrolit ile bir araya getirdi. Ortaya çıkan prototipin toplam kalınlığı yalnızca 2,77 mikrometre olarak ölçüldü. Araştırmacıların gerçekleştirdiği testlerde batarya, 0,01 C şarj-deşarj hızında 100. döngüye gelindiğinde 235,13 Wh/L hacimsel enerji yoğunluğuna ulaştı.

Yapılan mikroskobik incelemeler de geliştirilen ara katmanın çalışma mekanizmasına dair önemli bilgiler ortaya koydu. İlk lityum birikimi sırasında kalay ve lityum-kalay alaşımından oluşan üç boyutlu bir yapı meydana geldiği görüldü. Bu yapı, lityumun şarj ve deşarj sırasında geçirdiği fiziksel değişimlere uyum sağlayarak elektrot yüzeyindeki temasın korunmasına yardımcı oldu. Böylece tekrarlanan döngüler sırasında arayüzde meydana gelen bozulmaların sınırlandırılması mümkün hâle geldi.

Ekibe göre bu teknoloji, giyilebilir elektronikler, nesnelerin interneti (IoT) sensörleri ve tıbbi cihazlarda kullanılabilecek ultra ince bataryaların geliştirilmesine katkı sağlayabilir. Daha uzun vadede ise aynı yaklaşımın endüstriyel ölçekte kullanılabilecek anotsuz katı hâl bataryalara uyarlanması hedefleniyor.

Elbette bu sonuçların henüz bir laboratuvar prototipine ait olduğunu ve teknolojinin ticari kullanıma hazır olduğu anlamına gelmediğini belirtmek gerekiyor. Katı hâl bataryaların seri üretime geçebilmesi için üretim maliyetleri, ölçeklenebilirlik, uzun dönemli döngü ömrü ve farklı çalışma koşullarındaki güvenilirlik gibi konularda da kendilerini kanıtlamaları gerekiyor. Ancak geliştirilen kalay-karbon ara katmanı, katı hâl bataryaların önündeki önemli sorunlardan biri olan lityum birikiminin kontrol edilmesi konusunda umut verici bir çözüm sunuyor.

Green Goblin’in uçan kaykayı gerçeğe dönüştü