ABD‘deki Vanderbilt Üniversitesi ve Maryland Üniversitesi araştırmacıları, sülfürün şarj ve deşarj sırasında üçüncü bir elektrona katılmasını sağlayan yeni bir lityum-sülfür batarya kimyası geliştirdi. Bu yaklaşımla, henüz deneysel aşamada olan bu bataryaların depolayabileceği enerji miktarında önemli bir artış bekleniyor.
Ekibin sülfür atomlarına kloru eklemesi, bu atomların şarj ve deşarj döngüsünde üçüncü bir elektron alışverişi yapmasını mümkün kıldı. Laboratuvar testleri, yöntemin sülfürün enerji depolama kapasitesini yaklaşık yüzde 58 artırırken ortalama çalışma voltajını da 2,05 volt civarından 2,54 volta yükselttiğini gösterdi.
Sülfürün Üçüncü Elektroni
Lityum-sülfür bataryalar, sülfürün lityum-iyon katot malzemelerinde yaygın olarak kullanılan malzemelere göre ağırlığa göre çok daha fazla yük depalayabildiği için dikkat çekiyor. Ancak geleneksel lityum-sülfür kimyası nispeten düşük voltajda çalışıyor.
“Lityum-sülfür bataryaları hakkındaki geleneksel düşünce biçimi, sülfürün redoks gücünün bir kısmını kullanılmadan bırakıyor. Sülfürün redoks yeteneğini genişletip daha fazla enerji depalayabilmeyi başarabilir miyiz sorusunu sormak istedik,” diyor Vanderbilt Üniversitesi Kimya Mühendisliği H. Eugene McBrayer Profesörü ve Kimya Profesörü De-en Jiang.
Geleneksel lityum-sülfür bataryalarda her sülfür atomu, batarya şarj ve deşarj ederken iki elektrona katılıyor. Araştırmacılar bu süreci uzatmak için kloru ekleyerek sülfürün üçüncü bir elektron alışverişi yapmasını sağladı.
Eklenen reaksiyon daha yüksek voltajda gerçekleşiyor. Artan yük depolama kapasitesi ve voltajın birleşimiyle, deneysel hücrede bir kilogram sülfürün 1.700 watt-saatinden daha fazla enerji depalayabildiği belirlendi.
Elektrolit Reaksiyonu Kontrol Altında Tutuyor
Ek reaksiyonun geri dönüştürülebilir olmasını sağlamak için araştırmacıların çözmek zorunda kaldığı başka bir sorun vardı. Klorun şarj sırasında sülfürle etkileşime girmesi gerekiyordu, ancak oluşan sülfür-klor bileşiğinin bataryayı geçerek lityum-metal anotla reaksiyona girmesini engellemesi gerekiyordu.
Ekip moleküler simülasyonları kullanarak lityum ve klorür iyonlarının farklı elektrolitlerde nasıl davrandığını inceledi. Hesaplamalar, klorürün sülfürle reaksiyona girmek için elektrolitte hazır kalmasını sağlayan bir elektrolit tasarlamasına yardımcı oldu.
Sülfür-klor reaksiyonunun ürününün kolayca çözünmediği bir elektrolit seçtiler. Bu, malzemenin pozitif anot içinde kalmasını ve reaksiyonun deşarj sırasında geri dönmesini sağlıyor.
Daha sonra birkaç spektroskopi tekniği, sülfürün şarj ve deşarj sırasında yeni erişilebilir kimyasal durum arasında tekrar tekrar hareket ettiğini doğruladı.
Kap Çeşitli Kapasiteyi Koruyor
Araştırmacılar ayrıca, erken aşamalı batarya araştırmalarında genellikle kullanılan zarf hücreler ötesinde kimyasalı göstermek için küçük, tek katmanlı bir zarf hücre de inşa etti.
Zarf hücre, 100 şarj döngüsünden sonra başlangıç kapasitesinin yüzde 78’ini korudu.
Yine de teknoloji henüz erken bir gösterim aşamasında kalıyor. Prototip, ticari bir bataryada istenenden daha az miktarda sülfür ve daha fazla elektrolit kullanan lityum-metal anot kullanıyor.
Bataryanın ana bileşenlerini hesaba katıp yalnızca anotı değil, ekibin yaklaşımının kilogram başına 477 watt-saatlik bir paket düzeyinde özgül enerji elde edebileceğini tahmin etmesi bekleniyor.
Bu, çalışmada karşılaştırma amacıyla kullanılan geleneksel lityum-sülfür sisteminin yaklaşık yüzde 37 daha yükseği.
Bulgular, Nature Energy dergisinde yayımlandı.
Bu Gelişmeyi Toplulukta Değerlendirin
Haber hakkındaki düşüncelerinizi, donanım deneyimlerinizi ve teknik sorularınızı topluluk üyeleriyle anlık olarak tartışın.
Söz sizde.
Deneyiminizi, sorularınızı ve katkılarınızı paylaşın. E-posta adresiniz yayımlanmaz.