Elektrikli araç sektörünün genişlemesinde uzun ömürlü ve hızlı şarj özellikli pillere oldukça ihtiyaç duyulmaktadır. Ancak günümüzde kullanılan lityum iyon piller; pahalı, ağır ve uzun şarj süresi sebebiyle elektrikli araçlarda tercih edilmemektedir. Harward’lı bilim insanları elektrikli araçlar için 10-20 dakika içinde şarj olan lityum katı hal pil tasarladılar. Bunun yanında yüksek akım altında 10 bin kez doldurulup boşaltılabileceğini belirttiler. Bu teknoloji sayesinde elektrikli araçların ömrü, benzinli araçların ömrüne yaklaşabilir.
Lityum metal pillerle ilgili en büyük zorluk; şarj sırasında lityum iyonlarının anottan katoda taşınması olmuştur. Anot malzeme lityum metalden yapıldığında yüzeyde dendritler oluşur ve bu yapılar elektrolit içinde büyür. Daha sonra anot ile katodu ayıran katmanı deler ve pilin kısa devre yapmasına neden olur. Bu durum karşısında Doçent Xin Li ve ekibi çok katmanlı yapıya sahip bir pil tasarladı. Bu pil, lityum dentritlerini (iğne yapılı dallanmalar) engelleyebilen daha kararlı elektrolitler arasına sıkıştırılmış olarak üretildi. Daha sonra yüksek enerji yoğunluklu katot malzeme ile birleştirildi. Bu katmanlı yapı sırasıyla şu şekildedir:
- Lityum metal anot
- Grafit kaplama
- İlk elektrolit (Li 5.5 PS 4.5 Cl 1.5 \ LPSCI)
- İkinci elektrolit (Li 10 Ge 1 P 2 S 12 \ LGPS)
- Katot malzeme
Tasarımda kullanılan birinci elektrot, ikinciye göre daha kararlıdır ancak dallanmaya müsaittir. İkinci elektrot daha az kararlı olmasına rağmen dallanmaya karşı daha dirençlidir. Bu yapı sayesinde dendritler grafit ve ilk elektrolit katmanlarından geçer ancak ikinci elektrolit tabakada durdurulur. Mikrometre boyutundaki katot malzeme ise kilogram başına 110,6 kilovatlık güç ve kilogram başına 631,1 watt saate kadar özgül enerji sağlamaktadır.
Çalışma; Harvard’ın Teknoloji Geliştirme Ofisi, Fizik Bilimleri ve Mühendislik Hızlandırıcısı ve Harvard İklim Değişikliği Çözümleri Fonu’nun desteğiyle ticari uygulamalara doğru geliştirilmektedir.
Kaynaklar
news.harvard.edu
nature.com
