Elektrikli araçlar, bataryaları daha fazla büyümeden veya ağırlaşmadan daha çok enerji depolayabildiği takdirde tek şarjla daha uzağa gidebilecek.
Anotsuz batarya olarak bilinen umut verici bir alternatif, şarj sırasında normalde lityumu depolayan grafit gibi malzemeleri ortadan kaldırarak ağırlık ve alandan tasarruf sağlıyor.
Lityum bunun yerine doğrudan ince bakır folyo üzerinde birikiyor. Ancak tekrarlanan şarj ve deşarj işlemleri, lityumun dendrit adı verilen keskin, dallanan sivri uçlar halinde düzensiz bir şekilde birikmesine neden olabiliyor.
Lityumun üzerindeki koruyucu tabaka da kararsız hale gelerek batarya performansını düşürüyor ve ömrünü kısaltıyor.
Güney Kore’deki araştırmacılar, bu bataryaların daha uzun süre dayanmasına yardımcı olmak için yarı iletken endüstrisindeki hassas üretim tekniklerini sürece dahil etti.
Kore İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (KAIST) tarafından duyurulan yöntem, lityumu bakır folyo üzerine daha eşit bir şekilde dağıtan mikroskobik yapıları, kullanım sırasında dayanıklı bir koruyucu tabakanın oluşmasına yardımcı olan ultra ince bir kaplamayla birleştiriyor.
Batarya ömrünü uzatma çabaları ağırlığı artırıyor
Batarya ömrünü uzatmaya yönelik önceki bazı çabalar, çalışma sırasında kaybedilenin yerine fazla lityum eklemeyi veya yüzeyi kalın bir koruyucu filmle kaplamayı içeriyordu. Her iki yaklaşım da bataryayı daha ağır ve daha kalın hale getirerek anotsuz tasarımların sunması beklenen boyut ve ağırlık avantajlarını ortadan kaldırıyor.
KAIST Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Bölümünden Profesör Jinwoo Lee, bu çalışmanın yarı iletken üretiminde kullanılan ultra ince üretim tekniklerinin toplu elektrolit formülasyonunu değiştirmeden veya fazla lityum eklemeden lityum birikimi için hem tekdüze alanlar hem de kararlı bir koruyucu tabakayı nasıl oluşturabileceğini gösterdiğini söyledi.
Lee, araştırmayı KAIST’ten Profesör Hee-Tae Jung, Kyungpook Ulusal Üniversitesi ve Ulusal NanoFab Merkezinden araştırmacılarla birlikte yürüttü. Lee, teknolojinin yüksek enerjili anotsuz bataryaların ticarileşmesini hızlandırmaya yardımcı olmasını beklediğini ifade etti.
MXene koruyucu bir bariyer oluşturmaya yardımcı oluyor
Ekip, bakır folyoyu son derece ince levhalar halinde üretilen iki boyutlu bir malzeme olan MXene ile yaklaşık 10 nanometre kalınlığında kapladı. Bitmiş bir koruyucu bariyer olarak işlev görmek yerine MXene, batarya çalışırken bu bariyeri oluşturmak için gereken bileşenleri toplayan bir astar gibi hareket ediyor.
Çalışmanın, batarya içindeki yüklü parçacıkları taşıyan malzeme olan LiPF6 bazlı elektrolitinde, MXene yüzeyi lityum florür açısından zengin bir koruyucu tabakanın oluşmasını teşvik etti. Bu tabaka, lityum ve elektrolit arasındaki istenmeyen reaksiyonları azaltırken aynı zamanda dendrit büyümesini de engelledi.
Mikroskobik tüpler lityuma daha fazla alan sağlıyor
Araştırmacılar, lityumun kaplamanın altındaki bakır üzerinde nasıl birikeceğini kontrol etmek için, yarı iletken üretiminde hassas mikro işleme amacıyla kullanılan ikincil püskürtme litografisi (SSL) yöntemini kullandı.
Mevcut yüzey alanını düz bakır folyonun yaklaşık dört katına çıkaran, her biri yaklaşık 300 nanometre çapında ve 150 nanometre yüksekliğinde bir dizi mikroskobik tüp oluşturdular.
Daha fazla yüzeyin mevcut olmasıyla lityum, izole noktalarda toplanıp sivri uçlar halinde büyümek yerine yayılabildi.
Araştırmacılar elektrot yüzeylerini ve kesitlerini havaya maruz kalmayı en aza indirerek inceledi ve MXene boyunca nano ölçekli bir koruyucu tabakanın düzgün bir şekilde oluştuğunu doğruladı.
Kimyasını ve yapısını araştırmak için X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), uçuş zamanlı ikincil iyon kütle spektrometrisi (ToF-SIMS) ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM) gibi teknikleri kullanan ekip, tabaka oluşumunun arkasındaki mekanizmayı da belirledi.
Ortaya çıkan koruma, çok az ek ağırlık veya hacimle batarya ömrünü uzatmaya yardımcı olarak elektrikli araçlar için daha küçük ve daha hafif bataryalar üretilmesi hedefini destekliyor.
