Güney Koreli araştırmacılar 2,77 mikrometre kalınlığında anotsuz bir katı hâl bataryası geliştirdi

Batarya, anodunu şarj sırasında oluşturuyor

Advanced Energy Materials adlı bilimsel dergide “Enerji Yoğunluğunun Sınırlarını Zorlamak: Amorf Lityum Vanadyum Oksit İnce Film Katotla Bütünleştirilmiş Anotsuz Katı Hâl Bataryası” başlığıyla yayımlanan çalışma, katı hâl bataryalarında lityum birikiminin kontrolüne odaklanıyor. Geleneksel bir lityum iyon bataryada anot ve katot ayrı katmanlardan oluşur; şarj sırasında lityum iyonları bu iki katman arasında hareket eder. Yeni tasarımda ise üretim aşamasında geleneksel bir anot katmanı bulunmuyor. İlk şarj sırasında lityum, katottan akım toplayıcıya geçerek üzerinde metalik lityum katmanı oluşturuyor.

Bu yaklaşım, bataryanın boyutlarını küçültmeyi ve birim hacimde depolanan enerjiyi artırmayı mümkün kılıyor. Ancak lityumun düzensiz birikmesi kapasite kaybına ve iç kısa devrelere yol açabiliyor.

Kalay ve karbon bataryanın kararlılığını artırıyor

Araştırmacıların çözümünde, üzerine ultra ince bir kalay-karbon ara katmanı eklenen bakır akım toplayıcı kullanılıyor.

Kalay, lityum birikiminin başlamasına yardımcı olurken karbon, lityumun daha eşit dağılmasına yardımcı oluyor. Böylece şarj sırasında düzensiz lityum yapılarının oluşma veya lityumun elektriksel olarak yalıtılıp artık enerji depolamaya katkıda bulunmama riski azalıyor. Araştırmacılar ayrıca ilk kullanım döngülerindeki geri döndürülemez kayıpları telafi etmek için sisteme küçük bir lityum rezervi ekleyerek ön lityumlama uyguladı.

Prototipte lityum vanadyum oksit katot ve LiPON tipi katı elektrolit bir araya getiriliyor. Katot yaklaşık 2 mikrometre, batarya hücresinin tamamı ise 2,77 mikrometre kalınlığında.

Hücre, 100 şarj-deşarj döngüsünün ardından 235,13 Wh/l hacimsel enerji yoğunluğuna ulaştı. Testler, 0,01 C şarj hızıyla çok düşük akımda gerçekleştirildi.

Enerji yoğunluğu elektrikli araçlar için henüz yeterli değil

Sonuç, katı hâl bataryalarının geliştirilmesine yönelik yeni bir yaklaşım ortaya koysa da 235 Wh/l, günümüz elektrikli araçlarının standartlarına göre olağanüstü bir değer değil.

Modern lityum iyon bataryalar, hücre düzeyinde birkaç yüz Wh/l enerji yoğunluğuna ulaşabiliyor. Bu nedenle Dongguk prototipi, Toyota, CATL veya diğer büyük batarya üreticilerinin geliştirdiği elektrikli araç bataryalarının doğrudan rakibi olarak görülemez.

Asıl önem taşıyan, tasarımın temelindeki ilke. Anotsuz bir mimari, gelecekte malzeme kullanımını azaltabilir ve daha kompakt batarya hücrelerine olanak sağlayabilir.

Ancak mevcut prototip için uzun vadeli dayanıklılık, yüksek akımla şarj, üretim maliyetleri ve teknolojinin büyük ölçekli batarya üretimine uyarlanması konularında soru işaretleri sürüyor.

Yeni yaklaşım, batarya boyutlarının enerji yoğunluğundan çoğu zaman daha önemli olduğu giyilebilir elektronik cihazlar, tıbbi cihazlar ve küçük sensörler için özellikle uygun olabilir.

Avrupa'nın batarya sektörü için önemli bir araştırma alanı

Avrupalı batarya üreticileri ve otomotiv grupları; menzili artırma, güvenliği iyileştirme ve geleneksel lityum iyon bataryalara bağımlılığı azaltma umuduyla katı hâl bataryalarına yatırım yapıyor.

Dongguk Üniversitesinin çalışması ise katı hâl bataryalarının başarısının yalnızca yeni elektrolitlere bağlı olmadığını gösteriyor. Elektrotların ara yüzeylerinde gerçekleşen süreçlerin kontrolü de en az bunun kadar önemli.

Çalışmanın asıl değeri, 235 Wh/l enerji yoğunluğunda değil, anotsuz bir bataryayı daha kararlı hâle getirme olasılığında yatıyor. Araştırmacılar aynı ilkeyi daha büyük hücrelerde ve daha yüksek şarj akımlarında uygulayabilirse bu yaklaşım, yeni nesil bataryaların geliştirilmesine katkıda bulunabilir.

Şimdilik teknoloji laboratuvar aşamasında. Elektrikli araçlarda kullanılabilmesi için önemli ölçüde daha fazla geliştirilmesi gerekiyor.