Lityum-iyon pillerdeki çatlaklar elektrikli araç şarjını hızlandırıyor.
Lityum iyon elektrotlardaki çatlaklar bataryaların ömrünü kısaltıyor, ancak nörobilimden esinlenen bir yaklaşım bu çatlakların iyi bir yönü olduğunu gösteriyor
Michigan Üniversitesi’nde yapılan bir araştırmaya göre, lityum-iyon pillerin pozitif elektrotlarındaki çatlaklar tek başına zararlı olmaktan ziyade pilin şarj süresini kısaltıyor.
Bu durum, batarya ömrünü kısalttığı için çatlamayı en aza indirmeye çalışan birçok elektrikli araç üreticisinin görüşüne ters düşmektedir.
Yiyang Li, malzeme bilimi ve mühendisliği yardımcı doçenti ve Energy and Environmental Sciences dergisinde yayınlanan çalışmanın sorumlu yazarı.
Birçok şirket, çatlamayan parçacıklar kullanarak ‘milyon mil’ piller yapmakla ilgileniyor. Ne yazık ki, çatlaklar ortadan kaldırılırsa, pil parçacıkları bu çatlaklardan kaynaklanan ekstra yüzey alanı olmadan hızlı bir şekilde şarj olamayacaktır.
“Bir yolculuğa çıktığımızda, arabanın şarj olması için beş saat beklemek istemeyiz. Biz 15 ya da 30 dakika içinde şarj olmak istiyoruz.”
Ekip bulguların, pozitif elektrotun (ya da katodun) lityum nikel manganez kobalt oksit ya da lityum nikel kobalt alüminyum oksitten yapılmış trilyonlarca mikroskobik parçacıktan oluştuğu tüm elektrikli araç akülerinin yarısından fazlası için geçerli olduğuna inanıyor.
Teorik olarak, katodun şarj olma hızı parçacıkların yüzey-hacim oranına bağlıdır. Daha küçük parçacıklar daha büyük parçacıklardan daha hızlı şarj olmalıdır çünkü hacme göre daha yüksek bir yüzey alanına sahiptirler, bu nedenle lityum iyonlarının içlerinden yayılmak için daha kısa mesafeleri vardır.
Bununla birlikte, geleneksel yöntemler tek tek katot parçacıklarının şarj özelliklerini doğrudan ölçemez, yalnızca pilin katodunu oluşturan tüm parçacıkların ortalamasını ölçebilir. Bu sınırlama, şarj hızı ile katot parçacık boyutu arasında yaygın olarak kabul edilen ilişkinin yalnızca bir varsayım olduğu anlamına geliyor.
Li’nin laboratuvarında malzeme bilimi ve mühendisliği alanında doktora öğrencisi olan Jinhong Min şunları söyledi:
Katot parçacıklarının çatladığını ve lityum iyonlarını almak için daha aktif yüzeylere sahip olduğunu bulduk – sadece dış yüzeylerinde değil, parçacık çatlaklarının içinde de.
“Batarya bilimcileri çatlamanın meydana geldiğini biliyorlar ancak bu çatlamanın şarj hızını nasıl etkilediğini ölçmemişlerdi.”
Tek tek katot parçacıklarının şarj hızını ölçmek, Li ve Min’in parçacıkları genellikle sinirbilimciler tarafından tek tek beyin hücrelerinin elektrik sinyallerini nasıl ilettiğini incelemek için kullanılan bir cihaza yerleştirerek başardıkları çatlayan katotların tersini keşfetmenin anahtarıydı.
“Lisansüstü okuldayken, sinirbilim okuyan bir meslektaşım bana tek tek nöronları incelemek için kullandıkları bu dizileri gösterdi. Bunları, boyutları nöronlara benzeyen pil parçacıklarını incelemek için de kullanıp kullanamayacağımızı merak ettim,” diyor Li.
Her bir dizi, 100’e kadar mikroelektrot içeren, özel olarak tasarlanmış, 2’ye 2 santimetrelik bir çipten oluşuyor. Çipin ortasına bazı katot parçacıkları saçtıktan sonra Min, insan saçından yaklaşık 70 kat daha ince bir iğne kullanarak tek parçacıkları dizi üzerindeki kendi elektrotlarına taşıdı. Parçacıklar yerlerine yerleştirildikten sonra Min, dizi üzerinde bir seferde dört parçacığı aynı anda şarj ve deşarj edebildi ve bu özel çalışmada 21 parçacığı ölçtü.
Deney, katot parçacıklarının şarj hızlarının boyutlarına bağlı olmadığını ortaya koydu. Li ve Min, bu beklenmedik davranışın en olası açıklamasının, daha büyük parçacıkların çatladıklarında aslında daha küçük parçacıkların bir koleksiyonu gibi davranmaları olduğunu düşünüyor.
Bir başka olasılık da lityum iyonlarının, katot parçacığını oluşturan nano ölçekli kristaller arasındaki küçük boşluklar olan tane sınırlarında çok hızlı hareket etmesidir. Li, pilin elektroliti (lityum iyonlarının hareket ettiği sıvı ortam) bu sınırlara nüfuz ederek çatlaklar oluşturmadığı sürece bunun olası olmadığını düşünüyor.
Çatlaklı malzemelerin faydaları, çatlamayan tek kristal parçacıklı uzun ömürlü piller tasarlarken göz önünde bulundurulması gereken önemli bir husustur. Hızlı şarj için bu partiküllerin günümüzün çatlayan katot partiküllerinden daha küçük olması gerekebilir.
Li, alternatifin, lityumu daha hızlı hareket ettirebilen farklı malzemelerle tek kristalli katotlar yapmak olduğunu, ancak bu malzemelerin gerekli metallerin tedarikiyle sınırlı olabileceğini veya daha düşük enerji yoğunluklarına sahip olabileceğini söyledi.
Cihaz Lurie Nanofabrikasyon Tesisinde inşa edildi ve Michigan Malzeme Karakterizasyon Merkezinde incelendi.
Araştırma LG Energy Solution, Battery Innovation Contest ve Michigan Üniversitesi Mühendislik Fakültesi tarafından finanse edildi.