Lityum pillerin babası Goodenough'un son makalesi: Lityum iyon pil nasıl icat edildi?
LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4 ve diğer katot malzemelerinin mucidi olan Goodenough, lityum iyon piller alanında olağanüstü bir üne sahiptir ve gerçek bir "lityum iyon pillerin babası" dır.
Yakın zamanda, 96 yaşındaki John B. Goodenough, Nature Electronics'de yeniden şarj edilebilir lityum iyon pillerin icadının tarihini gözden geçiren ve gelecekteki gelişimin yolunu gösteren bir makale yayınladı.
1970'lerde Amerika Birleşik Devletleri'nde bir petrol krizi patlak verdi. Hükümet, petrol ithalatına olan aşırı bağımlılığını fark etti ve güçlü bir şekilde güneş ve rüzgar enerjisini geliştirmeye başladı. Güneş ve rüzgar enerjisinin aralıklı doğası nedeniyle, bu yenilenebilir temiz enerjiyi depolamak için nihayetinde şarj edilebilir pillere ihtiyaç vardır.
Şekil 1. Lityum iyon pil ilkesinin şematik diyagramı
Her bir pilin pozitif ve negatif kutupları vardır, pozitif ve negatif kutupları bir elektrolit ile ayrılır ve elektrik enerjisi kimyasal enerji şeklinde iki kutbunda depolanır. İki kutup arasındaki kimyasal reaksiyon iyonlar ve elektronlar üretir, iyonlar pilin içine aktarılır ve elektronları bir döngü oluşturmak için pilin dışına geçmeye zorlar, böylece elektrik üretir.
Tersine çevrilebilir şarj ve deşarj elde etmek için anahtar, kimyasal reaksiyonun tersine çevrilebilirliğidir!
Şekil 2. Stanley Whittingham
O zamanlar, çoğu şarj edilemeyen pil lityum negatif elektrotlar ve organik elektrolitler kullanıyordu. Şarj edilebilir pilleri gerçekleştirmek için herkes, lityum iyonlarını katmanlı geçiş metal sülfür pozitif elektrotlarına ters çevrilebilir şekilde eklemek için çalışmaya başladı. ExxonMobil'den Stanley Whittingham, interkalasyon kimyasını ölçmek için katot malzemesi olarak katmanlı TiS2 kullanmanın tersine çevrilebilir şarj ve deşarj elde edebileceğini ve deşarj ürününün LiTiS2 olduğunu keşfetti.
Whittingham tarafından 1976'da geliştirilen batarya iyi bir birincil verimlilik elde etti. Bununla birlikte, birkaç kez tekrarlanan şarj etme ve boşaltma işleminden sonra, pilin içinde lityum dendritler oluşur ve dendritler, negatif elektrottan pozitif elektrota doğru büyür ve elektroliti tutuşturabilecek bir kısa devre oluşturur. Bu girişim yine başarısızlıkla sonuçlandı!
Şekil 3. LiCoO2
Aynı zamanda Oxford Üniversitesi'ne transfer olan Goodenough, yapı değişmeden önce katmanlı LiCoO2 ve LiNiO2 katot malzemelerinden ne kadar lityum çıkarılabileceğini araştırıyor. Sonunda, lityumun yarısından fazlasının katot materyalinden tersinir deinterkalasyonunu sağladılar.
Bu araştırma sonucu nihayetinde Asahi Kasei'den Akira Yoshino'nun ilk şarj edilebilir lityum iyon pili hazırlamasına yol açtı: pozitif elektrot olarak LiCoO2 ve negatif elektrot olarak grafit karbon. Bu pil, Sony'nin ilk cep telefonlarına başarıyla uygulandı.
Şekil 4. Akira Yoshino
Maliyetleri düşürmek ve güvenliği artırmak için. Katıları elektrolit olarak kullanan tamamen katı haldeki şarj edilebilir piller, gelecekteki gelişmeler için önemli bir yön olarak görünmektedir.
1960'ların başlarında, Avrupalı kimyagerler, lityum iyonlarını katmanlı geçiş metal sülfit malzemelerine tersine çevirmek için çalıştılar. O zamanlar, şarj edilebilir piller için standart elektrolit esas olarak güçlü asit ve H2SO4 veya KOH gibi güçlü alkali sulu elektrolitlerdi. Çünkü bu tip su bazlı elektrolitte H + iyi bir yayılabilirliğe sahiptir.
O zamanlar, en kararlı şarj edilebilir pil, pozitif elektrot malzemesi olarak katmanlı NiOOH ve elektrolit olarak güçlü alkali sulu elektrolit kullanıyordu. H +, Ni (OH) 2 oluşturmak için katmanlı NiOOH katoduna tersine çevrilebilir şekilde gömülebilir. Sorun, su bazlı elektrolitin pilin voltajını sınırlaması ve bu da pilin daha düşük enerji yoğunluğuna neden olmasıdır.
1967'de Ford Motor Company'den Joseph Kummer ve Neill Weber, Na + 'nın 300 ° C'nin üzerindeki seramik elektrolitlerde iyi difüzyon özelliklerine sahip olduğunu keşfettiler. Bu yüzden bir Na-S şarj edilebilir pil icat etti: negatif elektrot olarak erimiş sodyum, pozitif elektrot olarak karbon şerit içeren erimiş kükürt ve elektrolit olarak katı seramik. Bununla birlikte, 300 ° C'lik bir çalışma sıcaklığı ile bu pilin ticarileştirilemeyeceği belirtilmektedir.
Bununla birlikte, bu araştırma katı elektrolitlere kapıyı açtı ve şu anda MIT'nin Lincoln Laboratuvarı'nda bulunan Goodenough'a ilham verdi. O zamanlar Goodenough, geçiş metal oksitleriyle ilgili elektrokimyasal çalışmaları inceliyordu ve zihni, oksitlere dayalı mükemmel sodyum iyon iletkenleri geliştirmekti. Yukarıdaki araştırmanın ilhamına dayanarak, o ve Henry Hong, çerçeve yapısına sahip bir katı elektrolit Na1 + xZr2SixP3 xO12 (NASICON) icat etti. Bu katı elektrolit çok iyi bir sodyum iyonu iletkenliğine sahiptir.
Şekil 5. NASICON yapısı
1986'da Goodenough, dendrit üretimi olmadan tamamen katı haldeki şarj edilebilir bir lityum pili gerçekleştirmek için NASICON'u kullandı. Şu anda, NASICON gibi katı elektrolitlere dayalı tüm katı hal şarj edilebilir lityum piller ve sodyum piller ticarileştirildi.
2015 yılında, Porto Üniversitesi'nden Maria Helena Braga, lityum iyon pillerde halihazırda kullanılan organik elektrolitlerle karşılaştırılabilir, lityum iyonu ve sodyum iyonu iletkenliğine sahip bir yalıtkan gözenekli oksit katı elektrolit gösterdi.
Kısacası, performans, maliyet veya güvenlik hususlarından bağımsız olarak, tüm katı hal şarj edilebilir piller, fosil enerjiyi değiştirmek ve nihayetinde yeni enerji araçlarına giden yolu gerçekleştirmek için en iyi seçimdir!
JohnB. Goodenough. ELi-ion şarj edilebilir pili nasıl ürettik. Nature Electronics 2018,1,204.
Kaynak: Yazar Nami: Jeff
