Geliştirilmiş Lityum-İyon Piller

Anot, lityum-iyon pillerde enerji depolamak için kritik bir bileşen. Birleşmiş Milletler Enerji Departmanı Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarındaki bir grup bilim adamı şu andakinden 8 kat daha fazla lityum absorbe edebilen yeni bir anot geliştirdiler, ve bu yeni anot büyük ölçüde artan enerji kapasitesini 1 yıldan fazla süren testler ve birkaç yüz tane şarj-deşarj döngüsünden sonra sağlayabildi.

Bunun başarılmasındaki sır özel bir polimeri lityum depolayan silikon parçacıklarına bağlayarak şarj anında bu parçacıkların hacminin 3 kat arttırılmasını ve deşarj halinde tekrar eski haline döndürülmesinde yatıyordu. Yeni anotların üretiminde daha ucuz maddeler kullanılıyor ve günümüzdeki lityum pilleri kullanan teknolojilerle uyumlu bir şekilde çalışabiliyor. Araştırma grubu buluşlarını gelişmiş metaryeller konusunda on-line olarak açıklamaktadır.

YÜKSEK KAPASİTE GENİŞLEMESİ

'Gelişmiş Ulaşım Teknolojileri İçin Piller' programının da bir üyesi olan Berkeley Laboratuarları Çevresel Enerji Teknolojileri Bölümünden Gao Liu, yüksek kapasiteli lityum iyon anot materyallerin elektrotların lityum absorbe etme anında bir hacim genişlemesi problemiyle karşı karşıya kaldığını söylüyor. Liu bugünkü lityum-iyon pillerin çoğunlukla iyon absorbe ettiği sırada grafin katmanları arasında az bir miktar genişleme sağlayan grafitten yapılmış anotlara sahip olduğunu belirtiyor. Ancak silikon grafitten 10 kat daha fazla iyon depolayabilmekte ve aynı zamanda tamamen şarj edildiğinde hacminin 3 katına ulaşabilmekte. Bu derece bir genişleme ilk zamanlarda anottaki elektriksel bağların kopmasına sebep olmaktaydı, bu nedenle bilim adamları silikonu anot iletkenliğini bozmadan kullanabilmek için yeni yollar aramaya başladı.

Bir çok yaklaşım önerildi ve bunlardan bazıları imkansız derecede pahalıydı. Daha ucuz bir yaklaşım ise silikon parçacıklarını esnek bir bağlayıcı ve iletkenliği sağlayan siyah karbon parçacıkları ile birlikte karıştırmak oldu. Ne yazık ki iyon alıp verdikçe genişleyen ve büzülen silikon parçacıkları bu genişleme sonucu karbon parçalarını itmekteydi. Bu noktada ihtiyaç duyulan şey karbon parçacıkları olmadan elektriksel iletkenliği sağlayabilen esnek bir polimerdi. İletken polimerlerin yani bir fikir olmadığını söylüyor Liu. Önceki çabaların iyi sonuç vermemesinin sebebi iletken polimerleri yalıtkan hale getiren bu genişlemenin hesap edilmemiş olmasıydı. Deneyde kullanılan polimerlerden biri olan ve pozitif yüklere sahip olan polianilin iletken olarak başlıyor ve hızlı bir şekilde iletkenliğini kaybediyordu. İdeal bir polimer ise elektronları almalı ve bunları hacim düşüşünde iletkenliği sağlayıcı olarak kullanmalıydı. Bunu sağlayacak bir polimerin işareti polimerin az sayıda boş orbital değerine sahip olması bu sayede elektronlar kolay bir şekilde yörüngeye yerleşebilecek ve serbest bir şekilde hareket edebileceklerdi.

İdeal olarak ilk şarj sürecinde elektronlar lityum atomlarından alınacaktı. Liu ve meslektaşı Shidi Xum butür poliflorin tabanlı bir seri iletken polimer tasarladı (kısaca pf). Liupflerin mükemmel performansını Berkeley Lab. Geliştirilmiş Işık Kaynakları bölümünden WanliYang ile tartışırken bu bilimsel işbirliği yeni metaryellerin anlaşılmasını sağladı. YangLiu'ya yumuşak x-ray absorbesini önerdi. Yang 'Liu'nun bilmek istediği şey elektronların nerede olduğu ve nereye hareket ettikleriydi. Ve X-Ray'a absorbesi böyle önemli bir bilgiyi sağlayabilecek güce sahipti' diyor.

Panların (polianilin) elektronik yapısı ile karşılaştırıldığında Yang'ın pfler ile elde ettiği absorbe etme aralığı önemsiz kaldı. İşlevsel karbon oksijen grubu (karbonil) ile birleştirilen pfler düşünüldüğünde farklar en yüksek seviyeye ulaştı. Deneysel kanıtımız vardı diyor Yang, ancak ne gördüğümüzü ve bunun polimerin iletkenliği ile ilişkisini anlamak için teorik bir açıklamaya ihtiyacımız vardı.Wang: 'Hesaplamalar gerçekten olayı size açıklıyordu, lityum iyonlarının polimeri nasıl çektiğini,ve eklenilen karbonil grubunun süreci neden uzattığını açıklıyordu. Hesaplamaların deneyleri bu derece doğrulaması çok etkileyici. Simülasyon gerçekten karbonil grubu içeren polimerlein etkilerini ortaya çıkardı ve sistemin nasıl bu kadar iyi çalıştığını gösterdi.Lityum iyonları öncelikle pfler ile etkileşime giriyor daha sonrada silikon parçacıklarına yapışıyordu.Lityum atomu karbonil grubu aracılığıyla polimere yapıştığında elektronu polimere veriyordu ve bu doping süreci silikon parçacıklarına elektron ve iyon transferini kolaylaştırarak polimerin iletkenliğini arttırıyordu.'