Yeni kristal çerçeve, ağırlık artışı olmadan katı hal pillerin enerji yoğunluğunu artırabilir.

Tokyo’daki Elektrik İletişim Üniversitesi (UEC Tokyo) ile Nichia Corporation araştırmacıları, tüm katı hal lityum pillerinde karşılaşılan temel zorluklardan birine yanıt verebilecek yeni bir kristal çerçeve inceledi. Araştırmacılar, nispeten hafif elementlerden oluşan RbLi(Li₃SiO₄)₂ temelli katı elektrolitin, ağırlık eklenmeden enerji yoğunluğunu artırma potansiyeli taşıdığını belirledi. Çalışma, malzemenin düşük yoğunluğu ve üç boyutlu lityum iyonu taşıma ağının hızlı iyon iletimine olanak tanımasıyla dikkat çekiyor.

Hafif bir çözüm olarak katı hal pilleri

Tüm katı hal lityum pilleri, geleneksel lityum-iyon pillerde bulunan yanıcı sıvı elektroliti bir katı elektrolitle değiştirir. Bu yaklaşım güvenliği artırırken aynı zamanda hızlı şarj ve daha yüksek performanslı pil tasarımlarına da olanak tanıyabilir. Ancak katı elektrolitin kendisinin ağırlığı, pilin kütle başına enerji yoğunluğunu ve kütlesine göre saklayabileği enerji miktarını etkileyebilir. Araştırmacılar bu nedenle RbLi(Li₃SiO₄)₂ malzemenin UCr₄C₄-tipi kristal çerçevesine yöneldi.

Monoklinik kristal yapısına sahip olan malzeme, 2.74 g/cm³ teorik yoğunluğa sahiptir. Bu değer, lanthanum ve zirconium gibi daha ağır elementler içen ve yaygın şekilde incelenmiş oksideli katı elektrolitlerin övülen 5.12 g/cm³ yoğunluğundan belirgin biçimde düşüktür.

Kristal yapı, lityum iyonlarına üç boyutlu taşıma ağı sunar

Başlangıçta çerçevenin, tek bir kristalografik yön boyunca lityum iyonları için tek boyutlu yollar sağladığı izlenimini veriyor. Ancak hesaplama simülasyonları, bu kanalların birbirleriyle bağlantılı olduğunu ve lityum iyonlarının hareket edebileceği üç boyutlu bir ağ oluşturduğunu ortaya koydu. Bu birbirine bağlı yapı, yerel kristal kusurlarının iyon taşımasını tamamen engellemesini önlemeye yardımcı olabilir.

Lityum iyonları olağanüstü düşük göçengel ile karşılaşıyor

Araştırmacılar, lityumun malzeme içinde nasıl hareket ettiğini incelemek için deneyel sentezin yanı sıra, tercih potansiyeli molekuler dinamik ve yoğunluk fonksiyonu teoris hesabı gibi hesaplama yöntemlerini kullandı. Simülasyonları, interstisyal siteler üzerinden yalnızca 0.30 elektron volt (eV) lityum iyonu göçengeline ulaştı. Daha düşük bir göçengel genellikle iyonların bir malzeme içinde daha kolay hareket edebileceği anlamına gelir.

Araştırmacılar, bu düşük göçengeli komşu lityum iyonları arasındaki güçlü Coulombik itişe bağladı. Bildirilen değer, aynı zamanda oldukça ağır elementler içen ve referans katı elektrolit olarak kabul edilen garnet-tipi Li₇La₃Zr₂O₁₂ için övülen 0.26 eV göçengeline yakındır.

“Bulgularımız, daha önce göz ardı edilen UCr₄C₄-tipi çerçevenin, lityum iyonu iletimi için son derece aktif bir platform görevi gördüğünü gösteriyor.”

Prof. Jun Nakamura, UEC Tokyo

Bu sonuçlar, kristal çerçevenin hızlı lityum iyon taşıması için gerekli yapısal özelliklere sahip olduğunu işaret ediyor. Ancak düşük iyon göçengi, tek başına yüksek genel iletkenliği garanti etmiyor.

Kusurlar güncel darboğazı oluşturuyor

Araştırmacılar, stoikometrik RbLi(Li₃SiO₄)₂ örneklerdeki temel sınırlamanın, bir taşıma sitesi sağlandıktan sonra lityum iyonlarının hareketinden kaynaklanmadığını tespit etti. Bunun yerine, bu harekete gerekli olan lityum kusurlarının oluşturulması oldukça daha fazla enerji gerektiriyor.

Araştırmacıların hesaplamalarına göre, lityum kusur oluşumu 1.26 eV gerektiriyor; bu değer, lityum göçü için gereken 0.30 eV’dan çok daha yüksektir. Bu fark,kusur oluşumunu malzemenin genel iyon iletiminde hız belirleyici aşama haline getiriyor.

Kusuru aşmak için lityumca zengin bileşimler öneriliyor

Araştırmacılar, darboğazı çözmek için lityumca zengenleşen bileşimleri öne sürüyor. Lityum içeriğini artırmak, gerekli kusurları daha kolay kullanılabilir hale getirerek, altta yatan kristal çerçevenin düşük göçenginin iyon iletkenliğine daha tam olarak katkıda bulunmasına olanak tanıyabilir.

Araştırmacıların ifadesiyle bulgullar, hafif katı elektrolitler geliştirmek için lityum pillerinde kullanılacak bileşimsel bir yol haritası sunuyor. Advanced Functional Materials dergisinde yayımlanan çalışma, yeni malzeme kullanan tamamlanmış bir pili kanıtlamıyor. Bunun yerine umut verici bir elektrolit çerçevesi ve güncel darboğazı aşmak için belirli bir malzeme tasarım stratejisi belirliyor. Lityumca zengenleşen sürümlerin öngörülen iyileşmeleri sağlayıp sağlamadığı ve malzemenin pratik hücrelere dahil edildiğinde nasıl performans gösterdiği belirlenene kadar daha fazla çalışma gerekecek.