Araştırmacılar lityum-metal-klorür katı hal elektrolitlerinde önemli ilerlemeler kaydediyor.
Nanopartikül Araştırma Merkezi’nden Profesör Kang Kisuk liderliğindeki araştırmacılar, Temel Bilimler Enstitüsü (IBS), yeni nesil katı hal pillerde büyük bir atılım yaptığını duyurdu. Daha verimli pillerin geliştirilmesine olanak sağlaması beklenen, olağanüstü iyonik iletkenliğe sahip yeni bir klorür bazlı katı elektrolit keşfettiler.
Katı Elektrolit İhtiyacı
Mevcut ticari pillerle ilgili acil bir endişe, yanıcılık ve patlama risklerine yol açan sıvı elektrolitlere bağımlı olmalarıdır. Bu nedenle, yanıcı olmayan katı elektrolitlerin geliştirilmesi, katı hal pil teknolojisinin ilerlemesi için büyük önem taşımaktadır.
Dünya, sürdürülebilir ulaşıma doğru devam eden küresel değişimde içten yanmalı motorlu taşıtları düzenlemeye ve elektrikli araçların kullanımını genişletmeye hazırlanırken, ikincil pillerin, özellikle de katı hal pillerinin temel bileşenlerine yönelik araştırmalar önemli bir ivme kazandı.
Katı hal pillerini günlük kullanıma uygun hale getirmek için yüksek iyonik iletkenliğe, sağlam kimyasal ve elektrokimyasal stabiliteye ve mekanik esnekliğe sahip malzemeler geliştirmek çok önemlidir. Önceki araştırmalar başarılı bir şekilde yüksek iyonik iletkenliğe sahip sülfür ve oksit bazlı katı elektrolitlere yol açmış olsa da, bu malzemelerin hiçbiri bu temel gereksinimlerin tamamını tam olarak karşılamadı.
Klorür Bazlı Katı Elektrolitlerdeki Gelişmeler
Geçmişte bilim adamları, üstün iyonik iletkenlikleri, mekanik esneklikleri ve yüksek voltajlarda kararlılıkları ile bilinen klorür bazlı katı elektrolitleri de araştırdılar. Bu özellikler, bazılarının klorür bazlı pillerin katı hal piller için en muhtemel adaylar olduğunu tahmin etmesine yol açtı.
Bununla birlikte, klorür pillerin, ikincil bileşenler olarak itriyum, skandiyum ve lantanit elementleri de dahil olmak üzere pahalı nadir toprak metallerine büyük ölçüde bağımlı olmaları nedeniyle pratik olmadığı düşünüldüğünden, bu umutlar hızla tükendi.
Bu endişeleri gidermek için IBS araştırma ekibi, metal iyonlarının klorür elektrolitlerdeki dağılımını inceledi. Trigonal klorür elektrolitlerinin düşük iyonik iletkenliğe ulaşabilmesinin nedeninin, yapı içindeki metal iyon düzenlemelerinin çeşitliliğine dayandığına inandılar.
Bu teoriyi ilk olarak yaygın bir lityum metal klorür bileşiği olan lityum itriyum klorür üzerinde test ettiler. Metal iyonları lityum iyonlarının yolunun yakınına yerleştirildiğinde, elektrostatik kuvvetler bunların hareketinde tıkanmaya neden oluyordu. Tersine, eğer metal iyonu doluluğu çok düşükse, lityum iyonlarının yolu çok daralacak ve hareketlilikleri engellenecektir.
Bu içgörülere dayanarak araştırma ekibi, elektrolitleri bu çelişkili faktörleri azaltacak şekilde tasarlamak için stratejiler geliştirdi ve sonuçta yüksek iyonik iletkenliğe sahip katı bir elektrolitin başarılı bir şekilde geliştirilmesine yol açtı. Grup, nadir toprak metallerini kullanan varyantlardan çok daha ucuz olan, zirkonyum bazlı bir lityum-metal-klorür katı hal pili oluşturarak bu stratejiyi başarılı bir şekilde göstermek için daha da ileri gitti. Bu, metal iyonları düzenlemesinin bir malzemenin iyonik iletkenliği üzerindeki öneminin gösterildiği ilk örnekti.
Metal İyon Dağıtımının Etkisi
Bu araştırma, klorür bazlı katı elektrolitlerin iyonik iletkenliğinde metal iyon dağılımının sıklıkla gözden kaçırılan rolünü gün ışığına çıkarıyor. IBS Merkezi’nin araştırmasının, çeşitli klorür bazlı katı elektrolitlerin geliştirilmesinin önünü açması ve katı hal pillerin ticarileştirilmesini daha da teşvik ederek, enerji depolamada daha iyi maliyet ve güvenlik vaat etmesi bekleniyor.
İlgili yazar Kang Kisuk şunları söylüyor: “Bu yeni keşfedilen klorür bazlı katı elektrolit, geleneksel sülfit ve oksit bazlı katı elektrolitlerin sınırlamalarını aşmaya hazırlanıyor ve bizi katı hal pillerinin yaygın olarak benimsenmesine bir adım daha yaklaştırıyor.
Referans: Seungju Yu, Joohyeon Noh, Byunghoon Kim, Jun-Hyuk Song, Kyungbae Oh, Jaekyun Yoo, Sunyoung Lee, Sung-O Park, Wonju Kim, Byungwook tarafından yazılan “Katyon sıra bozukluğunu düzenleyerek bir trigonal halojenür süper iyonik iletken tasarımı” Kang, Donhyun Kil ve Kisuk Kang, 2 Kasım 2023, Araştırma Temel Bilimler Enstitüsü tarafından finanse edildi.