Ağaçlardan Elde Edilen Yeni Malzeme ve Daha İyi, Daha Güvenli Piller
Daha fazla güç sağlayan ve daha güvenli çalışan pillerin peşinde koşan araştırmacılar, günümüzün lityum iyon pillerinde yaygın olarak kullanılan sıvıları katı malzemelerle değiştirmek için çalışıyorlar.
Çok yakın bir zamanda Brown Üniversitesi ve Maryland Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi, katı hal pillerinde kullanım için olası olmayan bir kaynaktan türetilen yeni bir malzeme geliştirdi: Ağaçlar.
Nature dergisinde yayınlanan araştırmada ekip, bakır ile selüloz nanofibrilleri birleştirerek ahşaptan elde edilen polimer tüplerin katı bir iyon iletkenliğini keşfettiler. Diğer taraftan, araştırmacılar, kâğıt inceliğindeki bu malzemenin diğer polimer iyon iletkenlerinden 10 ila 100 kat daha iyi bir iyon iletkenliğine sahip olduğunu belirtmişlerdir. Araştırma ekibi yine bu yeni keşfedilen malzemenin katı bir pil elektroliti olarak veya tamamen katı hal pilinin katodu için iyon ileten bir bağlayıcı olarak kullanılabileceğini de vurgulamışlardır.
Maryland Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği profesörlerinden Liangbing HU “Bakırı tek boyutlu selüloz nanofibrillerle birleştirerek, normalde iyon yalıtımlı selülozun polimer zincirleri içinde daha hızlı bir lityum iyon taşıması sunduğunu gösterdiklerini belirtmiştir. Araştırma ekibi aslında, bu iyon iletkeninin tüm katı polimer elektrolitler arasında rekor düzeyde yüksek iyonik iletkenliğe ulaştığını da ortaya çıkarmışlardır.
Son keşiflerdeki bu çalışmalar Brown’s Mühendislik okulundan Hu’s laboratuvarı ve yine profesör olan Yue Qi’ nin laboratuvarlarıyla ortak yürütülmüştür.
Cep telefonlarından arabalara kadar her şeyde yaygın olarak kullanılan günümüzün lityum iyon pilleri, sıvı organik bir çözücü içinde çözülmüş lityum tuzundan yapılan elektrolitlere sahiptir. Elektrolitin görevi, pilin katodu ve anodu arasında lityum iyonlarını iletmektir. Sıvı elektrolitler oldukça iyi çalışır, ancak bazı dezavantajları vardır. Şöyle ki: yüksek akımlarda, elektrolitte kısa devrelere yol açan dendrit adı verilen küçük lityum metal filamentleri oluşabilir. Bununla birlikte, şimdiye kadar incelenen katı elektrolitlerin çoğu, iyonları iletmede harika olan ancak aynı zamanda kalın, sert ve kırılgan olan seramik malzemelerdir. Ek olarak, imalat sırasındaki gerilimlerin yanı sıra yükleme ve boşaltma sırasındaki gerilimler, çatlaklara ve kırılmalara neden olabilmektedir. Ancak bu çalışmada tanıtılan malzeme, neredeyse bir kâğıt yaprağı gibi ince ve esnek ve iyon iletkenliği seramikle eşittir. Brown’da kıdemli bir araştırma görevlisi olan Qi ve Qisheng Wu, iyonları neden bu kadar iyi iletebildiğini anlamak için bakır-selüloz malzemenin mikroskobik yapısının bilgisayar simülasyonlarını gerçekleştirmişlerdir. Modelleme çalışması, bakırın normalde sıkıca paketlenmiş demetler halinde bulunan selüloz polimer zincirleri arasındaki boşluğu arttırdığını ortaya koymuştur ki genişletilmiş boşluk, lityum iyonlarının nispeten engellenmeden geçebileceği yolları yaratır. Qi, “Lityum iyonları, bu organik katı elektrolitte, tipik olarak inorganik seramiklerde bulduğumuz mekanizmalar aracılığıyla hareket ederek rekor düzeyde yüksek iyon iletkenliği sağladığını” ifade etmiştir.
Katı bir elektrolit olarak çalışmaya ek olarak, yeni malzeme katı hal pil için bir katot bağlayıcı olarak da işlev de görebilmektedir. Dahası, anotların kapasitesini eşleştirmek için katotların önemli ölçüde daha kalın olması gerekir. Ancak bu kalınlık iyon iletimini tehlikeye atabilir ve verimliliği azaltabilir. Daha kalın katotların çalışması için iyon ileten bir bağlayıcı ile kaplanmaları gerekmektedir. Ekip, yeni materyallerini bağlayıcı olarak kullanarak, şimdiye kadar bildirilen en kalın fonksiyonel katotlardan biri olduğuna inandıklarını göstermiştir.
Araştırmacılar, yeni malzemenin katı hal pil teknolojisini kitle pazarına getirme yolunda bir adım olabileceğinden umutlu.
Görünen o ki hızla ilerleyen bilim ve yapılan yoğun çalışmalar birçok mucizeyi daha ortaya çıkaracaktır. Yukarda sizler için özetmeye çalıştığım makalenin bilimsel referansı:
Reference: “Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-state batteries” by Chunpeng Yang, Qisheng Wu, Weiqi Xie, Xin Zhang, Alexandra Brozena, Jin Zheng, Mounesha N. Garaga, Byung Hee Ko, Yimin Mao, Shuaiming He, Yue Gao, Pengbo Wang, Madhusudan Tyagi, Feng Jiao, Robert Briber, Paul Albertus, Chunsheng Wang, Steven Greenbaum, Yan-Yan Hu, Akira Isogai, Martin Winter, Kang Xu, Yue Qi and Liangbing Hu, 20 October 2021, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-03885-6 şeklinde olup;
Çalışmanın özetlendiği web sitesi adresine:
https://scitechdaily.com/new-material-derived-from-trees-could-pave-way-for-better-safer-batteries/ orijinal linkinden ulaşabilirsiniz.
Sağlıkla….
