Piller, birçok günümüz teknolojisinde hayati bileşenlerdir ve mevcut birçok teknoloji için, pilin yeteneklerini geliştirmek, yeni neslin inşası ve statükonun iyileştirilmesi için her şeyden önemlidir.
Li-ion piller, günümüzde kullanılan ortak (şarj edilebilir) pil olarak kalır ve bu, en kararlı olanıdır. Ancak ilk tercih olsalar bile, Diğerleri ticari bir gerçeklik haline gelmeye yakınlar, bu yüzden Li-ion pil araştırması, batarya olarak kalması için çok çaba gerektiriyor.
Çoğu pil araştırmasının en önemli yanı, çığır açan araştırmaların ortaya çıkması değil, çoğu zaman uzun vadede çok daha iyi bir sisteme yol açan bir dizi artımlı ilerlemedir.
Li-ion Pil anot
Li-ion piller, anot, katot ve elektrolit gibi işlev görmelerini sağlayan üç hayati bileşene sahiptir ve daha iyi ve daha küçük piller oluşturmak için tüm bu alanlara çok fazla araştırma ve geliştirme yapılmaktadır. Anot, iyonları (şarj edildikten ve saklandıktan sonra) boşaltan ve işlemde bir akım oluşturmak için bir elektronu kaybeden elektrottur. Ayrıca şarj fazı sırasında iyonları saklar.
Anot her zaman iletken malzemeden yapılır ve birçok Li-ion pil için grafit, tercih edilen standart malzemedir. Son yıllarda, grafen ve karbon nanotüpler gibi diğer karbon nanoformları denenmiştir, ancak henüz uygun bir büyük ölçekli seçenek değildir.
Peki Ya Silikon?
Silikon, iletken olduğu, çok küçük mimarilerde yapılabildiği ve elde edilmesi ve üretilmesi nispeten kolay ve ucuz olduğu için birçok elektronik cihazda kullanılan bir malzemedir. Bu nedenle, birçoğu, birçok elektronikte kullanıldığı göz önüne alındığında, silikon anotlar ideal bir malzeme olacağı düşünüldü.
İdeal bir dünyada, bu bir Evet olurdu. Bununla birlikte, bilim birçok zorluk çıkarır ve biri pillerde kararlı bir silikon anotlar gerçekleştirilmesi olmuştur. Silikon iletken ve bu perspektiften ideal olsa da, elektrot içindeki ve dışındaki iyonların mekiklenmesi, silikon anotun genişlemesine ve büzülmesine, silikon parçacıklarının yer değiştirmesine ve işlemdeki katı elektrolit interfaz (SEI) tabakasının istikrarsızlaşmasına neden olur.
Anot içindeki bu indüklenen hacim değişiklikleri sonuçta yapısal olarak diğer anotlardan çok daha hızlı başarısız olmasına neden olur, bu nedenle ticari pillerde kullanımları uzun vadeli Stabilite ve güvenlik eksikliği nedeniyle bir seçenek olmamıştır.
Silikon Anotlara Yeni Araştırma
Silikon anotlarla ilgili zorluklar göz önüne alındığında, araştırma genellikle diğer alanlara kıyasla en hızlı veya en verimli değildir. Ancak Nature Communications’da Wang ve ark. tarafından yayınlanan son araştırmalar, anodu stabilize eden çok ilginç bir elektrolitin gelişimini içerir.
Araştırma, anotun elektrolit yoluyla stabilize edilmesine odaklandığı noktadan ilginçtir, oysa çoğu çaba, daha fiziksel olarak kararlı bir elektrot oluşturmak için silikonu diğer malzemelerle hibridize etmeye veya hacim değişikliklerini en aza indirgemek için elektrodu kaplamaya bakmıştır.
Çin ve ABD’li araştırmacılar, pil kurulumunda bir NCM olarak bilinen lityum bazlı bir katotun yanında bir silikon monoksit anodu kullandılar-LiNi0.5co0.2mn0.3o2 kimyasal formülü ile. Bu pili bir araya getiren elektrolit, jel bazlı bir polimer elektrolitti.
Polimer elektrolit, iki farklı monomer ünitesinden (polimerin kimyasal omurgasını oluşturan birimler) oluşan bir polimer olan bir ko-polimer tipiydi. Seçilen iki polimer birimi poli(tetrametilen eter) glikol (PTMG) ve 4,4’-metilendifenil diizosiyanat)-etilendiamin (MDI-EDA) idi. Yumuşak ve sert bir polimerin kombinasyonu jel benzeri bir madde yarattı ve anotun stabil olması için anahtar sürücüler olan elektrolitin elastik özellikleridir.
Jel polimer elektrolitinin (GPE) mükemmel elastikiyeti, her iki bileşeninden de kaynaklanır. Daha yumuşak PTMG polimeri karbonat elektrolitlerinde şişerken, daha sert MDI-EDA polimeri tüm kopolimerin aşırı şişmesini önler. Sonuç, silikon anot için (ve iki elektrot arasında bir yastık olarak) bir ‘yastık’ olarak hareket edebilen çok yüksek elastikiyete (%900’ün üzerinde uzama) sahip bir jel elektrolittir.
Jel polimer elektrolit, silikon elektrot yapılarını stabilize etmek için bir yastık görevi görür.
Pil için geleneksel bir silikon anotun (özel olarak tasarlanmış bir değil) seçildiği göz önüne alındığında, normal koşullar altında hala şişecektir. Bununla birlikte, araştırmacılar, elektrot şiştiğinde, anot etrafındaki GPE yastığının genişleme derecesini önemli ölçüde azalttığını ve aynı zamanda anottan yer değiştiren silikon parçacıklarının sayısını azalttığını bulmuşlardır. Zamanla, bu aynı zamanda bu anotların normal olarak yaşadığı çatlama miktarını azalttı ve temel silikon anotun daha uzun bir kullanım ömrüne sahip olmasını sağladı.
Elektrolit mükemmel olmasa da, temel silikon anotların kullanılabilirliğinde önemli bir gelişme olduğunu ve bu GPE artık daha yeni ve daha verimli Gpe’lerin sentezlenmesi ve denenmesi için bir araç olarak hareket edebilir. Bu elektrolit bile, %99.9 Coulombic verimliliğinin yanı sıra, 350 döngü üzerinde %70’lik bir kapasite tutma özelliğine sahipti ve benzer anot koruma yöntemlerini kullanan gelecekteki herhangi bir elektrolitin daha da etkili olacağı ihtimalinden daha fazla.
Silikon bazlı elektrotlar hala ticari bir ortamda kullanılmaktan uzun bir yoldur, ancak hacim genişlemesi ve anot istikrarsızlığı konularında çözüm bulmaya yönelik kutu dışı düşünme gelecekteki gelişmeler için anahtar olabilir. Bu spesifik elektrolitin ticari olarak kullanılması olası değildir (asla bilemezsiniz), ancak bu kapasitenin araştırılması kesinlikle gelecekte daha gelişmiş araştırmalara ilham verebilir. Biz sonunda ticari ürünlerde silikon anotlar görmek olsun, hiç kimse cevabı vardır, ancak teknolojideki gelişmeler kesinlikle daha ileri son yıllarda olmuştur daha vardır.
