Japon bilim insanları, katı hal piller için daha güvenli bir elektrolit geliştirirken, bu malzemenin 16.3 millisiemens per centimeter (mS/cm) değerinde rekor bir iletkenliğe ulaştığını keşfetti. Bu önemli gelişme, lityum iyonlarının malzeme içindeki hareket mekanizmasını aydınlattı.
Nagoya Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, malzemenin içinde bulunan bir florür iyonunun, her bir lityum iyonu boş bir yere geçtiğinde hafifçe kaydığını tespit etti. Bu hareket, lityum iyonları için bir yol açarak, elektrolit içindeki hareketi kolaylaştıran enerji bariyerini düşürdü.
Bu bulgu, oksid bazlı malzemelerin güvenliğini yüksek iyon iletkenliğiyle tanınan sülfür bazlı elektrolitlerle birleştiren katı hal pillerin geliştirilmesine yardımcı olabilir.
2024 yılında, araştırmacılar bu malzemenin (LLNOF) 7 mS/cm iletkenliğe sahip olduğunu bildirmişti. Ancak, lityum iyonlarının neden olağanüstü hızlı hareket ettiğinin nedeni belirsizdi.
Katı elektrolitler, geleneksel lityum-iyon pillerinde kullanılan sıvı elektrolitlerin yerine kullanılması için araştırılıyor. Sıvı elektrolitler, bir pil hasar gördüğünde yangın çıkarabilirken, bazı yüksek iletkenliğe sahip sülfür ve klorür elektrolitleri nemle temas ettiğinde toksik gazlar salabilir.
Oksit ve oksifluorür malzemeleri genellikle daha sağlam ve elektrokimyasal olarak kararlıdır, ancak lityum iyon iletkenlikleri genellikle daha düşüktür.
“Bu aşamada, güvenlik ve iyon iletkenliği arasında bir denge bulunmaktadır,” dedi Nagoya Üniversitesi’nin Malzeme Tasarımı İnovasyon Mühendisliği Bölümü’nden Doçent Takeshi Yajima. “Oksifluorürler daha güvenliyken düşük iletkenliğe sahiptir, sülfürler ise yüksek iletkenliğe sahip ancak tehlikeli olabilir.”
LLNOF’un yapısını anlamak için, Yajima’nın ekibi öncelikle ayrıntılı yapısal analizler için uygun, yüksek kaliteli tek kristaller üretmek zorunda kaldı. Araştırmacılar, milimetre boyutunda kristaller elde etmek için bir yıl aşkın süre boyunca Bridgman yöntemini kullandı.
Daha sonra, atomların nasıl düzenlendiğini ve malzemenin içindeki konumlarının nasıl değiştiğini incelemek için tek kristal kırılma analizi kullandılar.
Analizler, dört atomik sitenin, merkezde bir florür iyonu etrafında tetrahedral bir yapı oluşturduğunu gösterdi. Bu siteler lityum, lantan veya boş olabilir. Lityum iyonu boş bir siteye girdiğinde, florür iyonu lityum iyonunun önceki konumuna doğru kayar. Bu küçük hareket, yerel yapıyı değiştirir ve bir sonraki lityum iyonunun atlaması için enerji bariyerini azaltır.
Florür iyonu sadece hareketsiz durmak yerine, aktif olarak lityum iyonlarının kristal boyunca hareket etmesine yardımcı olur.
Araştırmacılar daha sonra, lityum, lantan ve boş sitelerin göreli miktarlarını ayarlayarak malzemenin bileşimini değiştirdi. Bu değişken, malzemenin kimyasal formülündeki “x” ile temsil ediliyordu ve iletkenlik üzerinde büyük bir etkiye sahipti.
Bu sonuç, yüksek iletkenliğin esas olarak sülfür bazlı elektrolitlerde bulunan gibi son derece deforme olabilen negatif iyonlara bağlı olduğu fikrini sorgulamaktadır.
“Genel anlayış, sülfür bazlı malzemelerin anion karakterleri nedeniyle daha iyi iletkenlere sahip oldukları yönündeydi, ancak bu mekanizma o anlayışı sorgulamaktadır,” dedi Yajima.
Bu yeni tanımlanan mekanizma, daha hızlı lityum iyon taşımacılığına sahip oksid bazlı katı elektrolitlerin tasarlanması için başka bir yol sağlayabilir. Bu tür malzemeler, pratik katı hal pillerin geliştirilmesindeki önemli zorluklardan biri olan yüksek iletkenliği güvenlikten ödün vermeden elde etmeye yardımcı olabilir.
Çalışma, Journal of the American Chemical Society’de yayınlandı.
Bu Gelişmeyi Toplulukta Değerlendirin
Haber hakkındaki düşüncelerinizi, donanım deneyimlerinizi ve teknik sorularınızı topluluk üyeleriyle anlık olarak tartışın.
Bir yanıt yazın