Amerika Birleşik Devletleri, elektrikli araç ömrünün darboğazını kırması beklenen çığır açan bir lityum hava bataryası yarattı!
Son zamanlarda, önemli bir araştırma ilerlemesi, elektrokimyasal enerji depolama alanına büyük ölçüde ilham verdi.
Chicago'daki Illinois Üniversitesi (UIC), Argonne Ulusal Laboratuvarı (Argonne Ulusal Laboratuvarı) ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki California Eyalet Üniversitesi'nden (Northridge) ortak bir araştırma ekibi Dergilerde yayınlanan makaleler, Başarılı bir şekilde, hava benzeri bir atmosferde 700 defadan fazla çevrilebilen bir lityum-hava pil yaptı ve lityum-hava pillerinin yalnızca saf oksijen kullanabileceği ve kısa bir döngü ömrüne sahip olabileceği konusundaki önceki sınırlamayı kırdı. İnsanlara, mevcut lityum iyonun yerini alan ve elektrikli araç kilometresinin darboğazını kıran son derece yüksek teorik enerji yoğunluğuna sahip bu tür bir pilin olasılığını görmelerine izin verin.
Lityum hava pili nedir? Lityum hava pili ile lityum iyon pil arasındaki fark nedir? Lityum hava pillerindeki bu ilerleme neden önemlidir? Bu, lityum iyon pillerin enerji yoğunluğunun neden yüksek olmadığı ile başlar.
Lityum iyon piller, açık ara en başarılı şarj edilebilir pillerdir. "Lityum-iyon pil" olarak adlandırılır çünkü pil içinde, ister şarj ister deşarj olurken, lityum iyonları (Li +) bir elektrik akımı oluşturmak için iki elektrot arasında gidip gelir. Lityum iyonları elektroda ulaştığında, yüzeye "gömülmeleri" gerekir ve ayrıldıklarında "deinterkalasyona" tabi tutulmaları gerekir. İyi bir "interkalasyon-deinterkalasyon" reaksiyonunu sağlamak için, bir lityum iyon pilin anodu genellikle grafittir ve katot genellikle bir lityum bileşiğidir. Örneğin, en popüler "üçlü lityum" pilin katotunda, lityuma ek olarak, lityum nikel kobalt manganat (LiNi0.3Co0.3Mn0.3O2) bileşiğini oluşturmak için üç metal element, nikel, kobalt ve mangan gerekir. Ve nikel, kobalt ve manganez lityumdan çok daha ağırdır.
Bu nedenle, bir lityum iyon pilde, bağıl atom kütlesi yalnızca 7 olan (bağıl atomik kütle bir karbon atomunun kütlesinin on ikide biri) yalnızca bir lityum iyonu 1 birim yük taşıyabilse de, katot Bu lityum iyonunu, lityumdan çok daha ağır olan nikel, kobalt, manganez, demir, fosfor ve karbon gibi atomik bileşiklerle birlikte "barındırmak" da gereklidir. Sonuç olarak, bir birimin pozitif yükü için, katot üzerinde sadece 100'e yakın bir nispi moleküler kütleye sahip bir "canavar" gereklidir. Anodun ve diğer malzemelerin ve yapıların ağırlığı ile birleştiğinde, bir lityum iyon pilin enerji yoğunluğuna hiçbir zaman ulaşılamadı. Yarım ton lityum iyon pil taşıyan bir elektrikli arabanın sadece onlarca litre benzine sahip sıradan bir arabanınkinden çok daha düşük bir seyir menziline sahip olmasının nedeni de budur.
Şekil Bir lityum iyon pilde, yüklü lityum iyonlarını (şekildeki gri top) dengeli bir şekilde "barındırmak" için, lityum bileşikleri (mavi ve kırmızı üç boyutlu yapılar) ve grafit ( Kırmızı katmanlı yapı), bu elementlerin bağıl atomik kütlesi lityumunkinden çok daha büyüktür, bu da lityum iyon pillerin enerji yoğunluğunun her zaman sınırlı olmasına neden olur. İdeal bir lityum hava pilinde, tüm bu elementlere ihtiyaç yoktur, sadece lityum metali ve havadaki oksijen!
Lityum hava pili farklıdır. Elektrot olarak lityum bileşikleri ve grafit gerektiren lityum iyon pillerin aksine, lityum hava pilleri, elektrot olarak havada doğrudan lityum metal (Li) ve oksijeni (O2) kullanabilir. En ideal durumda, pil boşaldığında, dış devrede akım oluşturan basit oksijen lityum oksit maddesinden lityum peroksit (Li2O2) üretilir; şarj olurken lityum peroksit, lityum ve oksijene ayrışır. Tüm süreç, daha yüksek kütleli diğer elementlerin katılmasını gerektirmez ve katot, ihmal edilebilir ağırlık ve maliyetle havayı doğrudan kullanabilir!
Bu nedenle, lityum hava pilleri, lityum iyon pillere göre çok daha yüksek enerji yoğunluğuna ulaşabilir. Aslında, lityum periyodik tablodaki en hafif atomik kütleye sahip en hafif metal element olduğu ve oksijen havadan geldiği için, lityum-hava pilleri elektrokimyasal hücrelerde en yüksek teorik enerji yoğunluğuna yani birim kütle başına lityuma sahiptir. Hava pilleri, diğer tüm elektrokimyasal enerji depolama ortamlarından daha fazla enerji depolayabilir ve serbest bırakabilir.
Sıvı olmayan lityum hava pillerin teorik enerji yoğunluğu 12kWh / kg'a ulaşabilir, Mevcut lityum iyon pillerin 5-10 katıdır ve neredeyse benzinin yaklaşık 13kWh / kg'ına benzer. Lityum-hava pilleri nihayet piyasaya girebilirse, elektrikli araçlar da benzinli araçlarla aynı seviyede seyir menziline sahip olacak. Temiz enerjinin gelecekteki gelişimi için büyük önem taşıyan lityum iyon pillerin düşük enerji yoğunluğunun neden olduğu seyir menzilindeki darboğazı tamamen kıracak.
Ancak bunların hepsi teorik analizlerdir. Böyle ideal bir duruma ulaşmak kolay değil.
Bundan önce, havayı katot olarak kullanabildiğini iddia eden lityum-hava pillerinin tümü saf oksijene dayanıyordu. Bunun nedeni, havadaki oksijen, nitrojen, karbondioksit ve su buharının yanı sıra reaksiyona da katılarak bu süreci son derece karmaşık hale getirmesidir. Anot lityumun oksidasyonu ve katot lityum iyonlarının havadaki karbondioksit ve su buharı ile reaksiyonu istenmeyen yan ürünler oluşturur.
Elektrotlar ve elektrolitler üzerindeki diğer kimyasal reaksiyonların yanı sıra metal lityum ve oksijenin nispeten aktif kimyasal özellikleri nedeniyle, lityum-hava pillerinin çevrim ömrü çok kısadır. Ek olarak, saf oksijen ortamı, lityum havanın, kullanıldığında büyük bir oksijen silindiri gibi bir oksijen depolama cihazı ile donatılmasını gerektirir.Bu, lityum hava pilinin yüksek enerji yoğunluğunun, büyük ve ağır oksijen depolama tankı ve pil kapasitesi tarafından doğrudan düzleştirilmesine izin verir Aynı zamanda oksijen tüpünün kapasitesine de bağlıdır. Dahası, elektrikli araçlarda lityum hava pilleri kullanmak istiyorsanız, oksijen silindiri ağırlığı önemli ölçüde artırmakla kalmaz, aynı zamanda ek güvenlik riskleri de ekler.
Aslında, yukarıda belirtilen eksiklikler olmasaydı, lityum iyon piller bunun yerine karmaşık elektrotlar kullanmazdı. Lityum metali doğrudan elektrot olarak kullanan lityum-hava pilleri gerekli oksijeni doğrudan havada elde edemediği için, bazı bilim adamları lityum-hava pillerine "lityum-oksijen pilleri" bile diyor.
Yıllar süren geliştirmeden sonra, bu sorunlar piyasadaki lityum iyon pillerle rekabet bir yana, karanlık bir bulut gibi lityum-hava pillerinde gizlendi. Chicago'daki Illinois Üniversitesi, Argonne Ulusal Laboratuvarı ve California Eyalet Üniversitesi Northridge'in atılımlarına kadar, yalnızca teoride var olan bu mükemmel performans umut getirdi.
Lityum-hava pillerinin ölümcül kusurlarını çözmek istiyorsak, havada bulunan çeşitli kimyasalları önlemenin yollarını bulmalıyız Azot, karbondioksit, su buharı ve diğer bileşenler yan reaksiyonlara katılır . Bu yan reaksiyonlar elektrotları, lityum iyonlarını ve elektrolitleri etkileyecek ve istenmeyen yan ürünler üretecektir. Bu soruya yanıt olarak, araştırmacılar derinlemesine araştırma yapmak için bilgisayar simülasyonu (yoğunluk fonksiyonel analizi) ve deneysel araştırma yöntemlerini kullandılar ve sonunda bir cevap buldular: Lityum metal elektrot üzerine koruyucu bir tabaka ekleyin.
Teknolojinin özü, anotta bir lityum metal tabakası eklemeleridir. Lityum karbonat / karbon (LiCO3 / C) Yoğun koruyucu kaplamadan oluşur.
Kaplama işlemi çok basittir: doğrudan lityum metal ve karbondioksitten 10 şarj ve deşarj döngüsüyle elektrot yüzeyindeki kimyasal reaksiyonlar tamamlanabilir. Lityum karbonat, lityum iyonları dışındaki bileşiklerin içeri girmesini engeller, böylece anodun havadaki oksijen dışındaki bileşenlerin zarar görmesini önler. Atmosferik ortamda, lityum karbonat havadaki su buharı ile kendiliğinden reaksiyona girmez, bu nedenle bu koruyucu tabaka, pilin kimyasal reaksiyonuna katılmaz veya tahrip olmaz. Kaplamanın koruması altında, tek bir döngüde lityum tutma oranı% 99.97'ye kadar çıkmaktadır ve bu, kaplamasız lityum-hava pillere göre çok daha iyidir.
Şekil Yoğun anot koruma katmanı (ölçek çubuğu: Şekildeki yeşil çizginin uzunluğu 1 mikrondur)
Şekil Li2CO3 kaplamasından geçen oksijen molekülleri
Bu pilin performansını test etmek için araştırmacılar, diğer çalışmalarda katot olarak bildirilen molibden disülfür (MoS2) nano yapraklarını kullandılar ve 1-etil-3-metilimidazol tetrafloroborat ( Elektrolit olarak 1-etil-3-metilimidazolyum tetrafloroborat, EMIM-BF4) ve dimetil sülfoksit (DMSO) karışımı kullanılır. Anot, katot ve elektrolitin koordineli çalışması altında, lityum hava pili simüle edilmiş bir hava ortamına yerleştirilir - 25 ° C sıcaklıkta% 79 nitrojen,% 21 oksijen, 500 ppm karbondioksit ve% 45 bağıl nem .
Testten sonra, 700 şarj ve deşarj döngüsünden sonra, lityum hava pili herhangi bir arıza göstermedi. Bu başarı birçok insanın beklentilerini aştı ve hatta bazı olgunlaşmış ticari pillerin (kurşun asitli piller gibi) döngü ömrüne ulaştı.
Araştırma ekibi bu nedenle şu sonuca vardı: "Korumalı lityum anot, elektrolit karışımı ve yüksek performanslı hava katodu, simüle edilmiş hava koşullarında birlikte çalışır ve bu, lityum-hava pillerinin döngü sürelerini etkili bir şekilde artırabilir."
Aynı zamanda, Argonne Ulusal Laboratuvarı, gelecekte pilin performansını iyileştirmek ve gelecekteki olası ticarileştirme için teorik destek sağlamak amacıyla reaksiyon mekanizmasını daha iyi anlamak için pil reaksiyonunun bilgisayar simülasyonlarını yapmaya devam etmektedir.
Bu araştırmanın ticari uygulamalardan hala çok uzak olmasına rağmen, enerji yoğunluğunun optimalden çok uzak olmadığı belirtilmelidir. Ancak, şüphesiz lityum hava pillerinin geliştirilmesinde büyük bir ilerlemedir.
Bu araştırmanın sonuçları, lityum hava pillerinin diğer gazların parazitini gerçekten koruyabileceğini, havaya benzer bir gaz ortamından doğrudan oksijen elde edebileceğini, oksijen depolama cihazlarına bağımlılıktan kurtulabileceğini ve uzun bir çevrim ömrüne sahip olduğunu kanıtlıyor. Bu, şüphesiz araştırmacıların ve endüstrinin bu devrim niteliğindeki pil teknolojisinin gelecekteki gelişimine olan güvenini büyük ölçüde artırmaktadır:
En önemli sorunların net çözümleri olduğu için, geri kalanı hiç ölümcül sorunlar olmayabilir! Araştırmacıların mevcut lityum iyon pil teknolojisinden çok daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip yeni bir pil türü yaratması çok uzun sürmeyebilir ve bu şüphesiz mevcut enerji modelini tamamen değiştirecektir.
