Pil elektrot malzemelerinin birçok özelliği aynı anda iyi bir şekilde yerine getirmesi gerekir. Birincisi, iyonların elektrotlar arasında hareket etmesini sağlayan yükleri iletken olmaları gerekir. İkincisi, iyonların depolanacakları bir noktaya ulaşmadan önce etrafta serbestçe dolaşmasına olanak tanıyan açık bir yapıya sahip olmalıdırlar. Son olarak, çok sayıda iyonun depolanması, malzemelerin genişlemesine neden olarak mekanik stres yaratır ve bu da elektrot malzemesinin yapısının zamanla bozulmasına yol açabilir.
Tüm bu özellikleri tek bir malzemeden elde etmek zor olduğu için, birçok elektrot aktif madde, elektrolit ve iletken katkı maddesi gibi farklı kimyasalların bir araya geldiği kompozit malzemelerden oluşur. Ancak bu durum, malzemeler arasındaki ara yüzeylerdeki bozulmaların pilin kapasitesini yavaş yavaş düşürmesi gibi yeni sorunlar yaratabilir.
Şimdi ise bir grup araştırmacı, tüm bu işlevleri tek başına yerine getirebilen bir malzeme öneriyor. Bu malzeme makul derecede iletken, lityum iyonlarının kolayca hareket edip depolama alanlarını bulmasına olanak tanıyor ve en önemlisi, ucuz ve yaygın elementlerden yapılmış. Belki de hepsinden iyisi, şarj/deşarj döngüleri sırasında oluşan hasarları kendiliğinden onarma (self-healing) özelliğine sahip olması.
Yüksek Kapasite ve Kendini Onarma
Araştırma ekibi, katotların karmaşıklığını azaltmayı hedefledi. Geleneksel kompozit katot tasarımlarının, elektrokimyasal olarak aktif olmayan bileşenlerin önemli bir hacim kaplaması nedeniyle sınırlı kaldığını belirten araştırmacılar, çözümün bu bileşenlerin çoğunu ortadan kaldıran hepsi bir arada bir malzeme yaratmakta yattığını düşündüler.
Daha önceki çalışmalar, klor bazlı kimyasalların, iyonların malzeme içinde kolayca hareket etmesine izin verdiğini ancak elektriği pek iyi iletmediğini göstermişti. Araştırmacılar, bu malzemelerden birini önceden lityumla yükleyerek deneyler yaptılar ve çok ucuz bir malzeme olan demir klorür üzerinde yoğunlaştılar.
Sonunda Li1.3Fe1.2Cl4 formülüne sahip bir malzemeyi hedeflediler. Yapılan simülasyonlar, bu malzemenin iyonların hızlı bir şekilde yer değiştirmesine olanak tanıyan ve depolama alanları sunan bir yapı oluşturduğunu gösterdi.
Malzemenin üretimi, lityum klorür ve iki farklı formda demir klorür karışımını içeriyordu. Bu karışım ezildi, katı bilyelerle hızlı dönüşle karıştırıldı ve ardından 200°C'de bir gece boyunca ısıtıldı. Sonuç, pillere dahil edilebilecek bir malzeme oldu.
Test kurulumunda kullanıldığında, malzeme dayanıklılığıyla bilinen demir fosfat katotlarına benzer bir enerji yoğunluğuna sahipti. Biraz alışılmadık bir şekilde, daha yüksek şarj oranlarında kapasitesinin daha fazlasını korudu (çoğu malzeme daha yavaş şarj oranlarında daha iyi performans gösterir). Ve oldukça dayanıklıydı; yaklaşık 15 dakika içinde pili tamamen dolduracak bir hızda şarj edilip deşarj edildiğinde 3.000 döngüden sonra kapasitesinin yüzde 90'ından fazlasını korudu. (Yine, daha düşük şarj oranlarında kapasite daha hızlı düştü.)
Malzemenin iletkenliği mükemmel değildi, ancak araştırmacılar, ağırlıkça yaklaşık yüzde 2 iletken karbon karıştırarak bunu iyileştirebildiklerini buldular. Ayrıca, yüksek kapasiteli bir katot malzemesinin üzerine katmanlanabileceğini gösterdiler; bu durumda hem iyonların akmasına izin veren hem de katot malzemesinin kapasitesi dolduğunda onları depolayan katı hal elektroliti gibi davranıyordu.
Hızlı Bir Çözüm
Malzemenin dayanıklılığının sırrı, şarj döngüsü sırasında faz geçişleri yaşaması gibi görünüyor. Yapıdan daha fazla lityum ayrıldıkça, demirin klorine göre konumu değişebiliyor ve tam döngü sırasında üç farklı faz oluşuyor. Genel olarak, malzeme şarj sırasında iyonlarla dolarken yaklaşık yüzde 8 oranında genişliyor.
Erime noktası da değişiyor; bu, şarj/deşarj ile ilişkili ısıyla birleştiğinde malzemenin özelliklerinde önemli bir değişikliğe katkıda bulunabilir: Malzeme kırılgan durumdan daha kolay deforme olabilen sünek bir duruma geçiyor. Bu süneklik, malzemenin kendini onarmasını sağlıyor. Araştırmacılar, ilk haldeki elektrottaki çatlakların ve boşlukların şarj edildiğinde tamamen iyileştiğini belirttiler. Bu kendini onarma özelliği, bu katot malzemesinin yaklaşık 10 yıllık günlük şarja eşdeğer 3.000 döngüden sonra kapasitesinin yüzde 90'ını koruyabilmesinin ana etkeni.
Kendini onarma özelliğinin ötesinde, bu malzemede beğenilecek çok şey var. Hızlı şarj oluyor, makul bir kapasiteye sahip ve ucuz, bol miktarda bulunan hammaddeler kullanıyor. En büyük dezavantajı muhtemelen laboratuvarda kullanılan ezme işleminin ölçeklendirilmesinin zor olması. Araştırmacıların daha iyisini nasıl yapabileceklerine dair bir fikri var, ancak bu malzemenin pil üretimine ne kadar kolay entegre edilebileceği henüz net değil.
Malzemenin üretimde işe yarayıp yaramayacağı belli değil, ancak bu çalışma, yıllardır pil teknolojisine hakim olan lityum iyonlarının bile hala keşfedilmeyi bekleyen, bizi şaşırtacak bazı kimyalara sahip olduğunu gösteriyor.
