Katı hal bataryalarda oyun değiştirici tasarım: Nefes alan silikon anot

Çinli araştırmacılar, katı hal lityum bataryaların önündeki en büyük teknik manilerden birine yönelik dikkat alımlı bir tahlil geliştirdi. Yapılan araştırmada üç boyutlu “nefes alabilen” bir silisyum anot mimarisi ortaya kondu. Tabiattaki teneffüs düzeneklerinden ilham alan bu yeni yapı, yüksek performanslı tam katı hal silisyum anotlu lityum bataryalar için umut vadeden bir yol sunuyor.

Katı hal lityum bataryalar neden kritik?

Bilim dünyası ve batarya sanayisi tarafından gelecek jenerasyon güç depolama teknolojisinin en son gayesi olarak görülen tam katı hal lityum bataryalar, sıvı elektrolitli sistemlere kıyasla daha yüksek güvenlik, daha yüksek güç yoğunluğu ve daha uzun kullanım ömrü üzere kıymetli avantajlar sunuyor. Bu bataryalarda anot materyali olarak kullanılan silisyum, teorik kapasitesinin ticari grafit anotlara nazaran yaklaşık on kat daha yüksek olması ve kimyasal uyumluluğu nedeniyle öne çıkıyor.

Lakin silisyumun pratik kullanımını sınırlayan önemli bir sorun bulunuyor. Şarj ve deşarj sırasında lityum iyonlarını bünyesine alan silisyum, hacminin üç kattan fazla artmasına neden olan çok bir genleşme yaşıyor. Bu durum, mekanik tansiyon, anot-elektrolit arayüzünün bozulması ve elektrokimyasal performansın süratle düşmesiyle sonuçlanıyor.

Silisyum, lityum iyonlarını emdiğinde bir balon üzere şişiyor, deşarjda tekrar küçülüyor ve bu süreç tekraren tekrarlandığında yapı yorgunluğa uğrayarak batarya ömrünün ani biçimde sona ermesine yol açıyor.

Silisyuma “nefes alma” yeteneği kazandırıldı

Araştırma grubu, bu temel sorunu aşmak için silisyumun katı ve rijit bir ortamda “serbestçe nefes alabilmesini” sağlayacak yenilikçi bir tasarım geliştirdi. Plazma takviyeli kimyasal buhar biriktirme (PECVD) teknolojisi kullanılarak, akım toplayıcıyla direkt entegre edilen üç boyutlu kolon yapılı bir silisyum mimarisi tasarlandı. İki kademeli PECVD süreciyle üretilen bu yapı, çift fazlı çekirdek-kabuk mimarisi ile dikkat çekiyor.

Geleneksel silisyum tozu yaklaşımından uzaklaşıldığını belirten araştırmacılar, silisyumun bu sefer “bir orman içindeki ağaçlar gibi” dikey biçimde büyütüldüğünü söz ediyor. Nanotel formundaki silisyum kolonlar, ortalarında çok sayıda boşluk barındıran üç boyutlu bir ağ oluşturuyor. Bu boşluklar, batarya içinde adeta sayısız “nefes alma vanası” vazifesi görüyor. Lityum iyonları anoda girdiğinde, silisyum bu evvelden ayrılmış alanlara hakikat genişleyerek katı elektrolite ziyan vermeden genleşebiliyor.

Yapılan deneysel çalışmalar, geliştirilen kolon yapılı silisyum anotun sadece teorik olarak değil, pratik kullanım açısından da son derece tezli olduğunu ortaya koydu. Bu anotla üretilen bataryaların, büküldüğünde yahut makasla kesildiğinde bile güç sağlamaya devam edebildiği gösterildi. Elde edilen sonuçlar, sistemin yüksek mekanik dayanım ve üst seviye güvenlik sunduğunu net biçimde ortaya koyuyor. Uzmanlara nazaran bu gelişme, elektrikli araçlardan taşınabilir elektroniklere kadar pek çok alanda kullanılacak gelecek jenerasyon batarya teknolojilerini bir adım daha gerçeğe yaklaştırıyor.

Kaynak : Donanimhaber