Nanokompozit Elektrokatalizörler, Lityum-Kükürt Pillerini 5 Dakikalık Şarj Süreleriyle Yeniden Hayal Edebilir

Lityum-İyon’dan Lityum-Kükürt’e

Lityum-iyon piller, şu ana kadar pil pazarına hâkim olmuşlardır. Bu, yüksek enerji yoğunluğu ve tüketici elektroniği pazarında yaygın olarak kullanılmaları ve üretilmeleri sayesinde elde ettikleri erken avantajdan kaynaklanmaktadır.

Diğer uygulamalara uygulandığında, lityum-iyon pil kapasitesine sınırlar ortaya çıkmaya başladı. Örneğin, lityum-iyon pillerin şarj hızı görece yavaştır ve hızlı şarj mümkün olsa da pil ömrüne zarar verme eğilimindedir.

Yavaş şarj, elektrikli araç sahipleri için sürekli bir sorun olmuştur ve genellikle insanların elektrikli araçları benimsemeyi reddetmesinin bir nedeni olarak gösterilir.

Elektrikli araçlar artık pil gücü açısından en büyük tüketici olduğundan, daha hızlı şarj olan yeni pil kimyası hızla popülerleşebilir ve lityum-iyon tasarımlarıyla rekabet edebilir.

Bir bu vaat eden yeni kimyasallardan biri lityum-kükürt pilleridir. Önceki tasarımlar lityum-iyon’dan bile daha yavaş şarj olurken, yeni nanomalzemeler lityum-kükürt destekli bir elektrikli aracın sadece 5 dakikada şarj olmasını sağlayabilir.

Lityum-Kükürt Avantajları ve Zorlukları

Yeni lityum-kükürt pil teknolojisi, Çin ve Avustralya üniversiteleri ve araştırma enstitülerindeki (Adelaide, Tianjin, ANSTO ve Tsinghua) araştırmacılar tarafından keşfedildi ve Nature Nanotechnology dergisinde “Geçiş metal/karbon nanokompozit elektrokatalizör mühendisliğiyle yüksek güçlü Li||S pillerinin geliştirilmesi” başlığıyla yayınlandı.

Lityum-kükürt piller, uzun zamandır muazzam enerji yoğunluğu sunduğu bilinir; Wh/kg (özgül enerji) cinsinden ölçüldüğünde klasik lityum-iyon pillerin enerjisinin iki katından fazlasını ve Wh/L (özgül kapasite) cinsinden ölçüldüğünde üstün performans sağlar.

Kaynak: Vertex Holdings

Şimdiye kadar lityum-kükürt pil prototiplerinin geniş çapta benimsenmesini engelleyen temel sorunlar, düşük ömür (lityum-iyon’un 1/3’ü) ve çok yavaş şarj hızı olup, tam şarj için 1-10 saat gerektirmesidir.

Bu, lityum-iyon ile zaten 20-30 dakikalık şarj süresinden şikayet eden kullanıcılar için açıkça kabul edilemez bir durumdur.

(Lityum-iyon’a alternatif birçok kimyayı referans makalemizde “Mobilitenin Geleceği – Pil Teknolojisi” tartıştık.)

• Ömür, lityum-iyon ile benzer şekilde en az 1.000 döngü.
• 1.306 Wh/kg özgül enerji, lityum-iyon’dan 10 kat daha fazla ve hatta çoğu katı hal pil tasarımından daha üstün.
• Şarj/deşarj döngüsü 5 dakikadan az.

Lityum-Kükürt Pillerini Nanoskala’da İnşa Etmek

Peki, araştırmacılar mükemmel bir pil gibi görünen şeyi nasıl inşa etmeyi başardılar?

İlk olarak, şarj/deşarj hızını kontrol eden ana unsur olan kükürt indirgeme reaksiyonunu (SRR) atomik/kantitatif seviyede incelediler. Bunu başarmak için bir parçacık hızlandırıcı (Australian Synchrotron, ANSTO) kullanarak metal bazlı katalizörlerde atomik orbital doluluğunu (kükürt atomunun etrafındaki elektronların konumu) tam olarak belirlediler.

Daha önce hiç analiz edilmemiş bu verilerle donanmış olarak, kükürt indirgeme reaksiyonunun (SRR) hızını ve sürecini doğru bir şekilde tahmin etmeyi başardılar.

Bu öngörü modeliyle, karbon ve demir, kobalt, nikel, bakır ve çinko gibi çeşitli metal elektrokatalizör alaşımlarından oluşan nanokompozit elektrokatalizörler tasarladılar.

Sonuçta, yukarıda açıklanan olağanüstü performansa sahip kobalt ve çinko alaşımı seçildi.

Gelecek Ne Getirecek?

Böyle bir “süper pil” geliştirilmesi, enerji sistemlerimizin elektrifikasyonunda, ulaşımdan güçlü şebeke ölçeğinde bataryalar gerektiren yenilenebilir enerjinin kitlesel benimsenmesine kadar bir dönüm noktası olabilir.

Bununla birlikte, süreç hâlâ erken ve lityum-kükürt pillerinin hâkim olmadan önce yanıtlanması gereken birkaç soru bulunmaktadır.

Nadir Malzemeler

Lityum-iyon pilleri ve elektrikli araç üreticileri yıllardır kobalt kullanan tasarımlardan uzaklaşmaya çalışıyor. Bunun nedeni kobaltın nadir bir mineral olması ve ana kaynağının Kongo olması; burada kobalt üretimi çocuk ve köle emeği ile ve genel olarak insan hakları ihlalleriyle ilişkilendirilmiştir.

Bu nedenle, elektrokatalizörde kullanılan kobalt-çinko nanokümesi de bu sorunla başa çıkmak zorunda kalacaktır.

Maliyetler

Yüksek malzeme maliyetleri, sektörün katı hal, lityum-demir-fosfat (LFP) veya sodyum-iyon kullanan pillere yönelmesinin bir diğer nedeni.

Bu, kobalt bazlı lityum-kükürt pillerinde bir sorun oluşturabilir. Lityum-iyon’dan çok daha verimli ve enerji yoğun olsa bile.

Aynı zamanda, son derece yüksek özgül enerji, aynı elektrikli araç menzili için daha az pil gerekeceği anlamına gelir.

Bu da, pil ağırlığının araç ağırlığının %25’inden fazla olduğu mevcut durumda, aracın ağırlığını büyük ölçüde azaltır. Daha düşük ağırlık menzili daha da artırır.

Gerçek belirleyici faktörler, lityum-kükürt pillerinin Wh başına fiyatı ve batarya paketinin ağırlığının ne kadar daha düşük olabileceği olacaktır.

Kitle Üretimi

Son on yılda pil teknolojisinde birçok yenilikçi malzeme ve tasarım görüldü. Ancak laboratuvar ortamında üretilen bir coin hücreyi batarya paketine dönüştürmek ve ardından onları fabrika ölçeğinde üretmek kolay değildir.

Örneğin, katı hal pillerinin ticarileşme tarihi QuantumScape, Volkswagen, Toyota, CATL, LG vb. tarafından yıl yıl tekrarlayan bir şekilde ertelendi (QS )

Bu, teknolojinin çalışmadığı anlamına gelmez; ancak kalite sorunları olmadan ve düşük maliyetle ölçekli katı hal pillerinin kitle üretimi çok zor olduğu kanıtlanmıştır.

Dolayısıyla, bu lityum-kükürt prototipini ticari bir pil haline getirmede muhtemelen hâlâ birçok adım bulunmaktadır.

Sonuç

Piller, EV’lerin başlangıcından beri zayıf noktası olmuştur; bu, dünya çapındaki üniversitelerin ve CATL, Tesla , LG gibi sektör liderlerinin büyük araştırma çabalarıyla yavaş yavaş çözülmektedir.

Hangi tasarım ya da kimyanın nihai olarak hâkim olacağı belirsizdir. En güçlü aday katı hal pilleridir ve lityum-kükürt, katı hal ticarileşmesinden sonra gelecek pil nesli olabilir.

LFP ve sodyum-iyon, yüksek performans yerine düşük maliyete odaklanan uygulama ve ürünlerde de bulunabilir.

Ve elbette, EV’lere kıyasla çok farklı gereksinimlere sahip şebeke ölçeğinde piller için demir-hava, redoks, yerçekimi ya da beton piller gibi daha egzotik tasarımlar da olabilir; bu tasarımları “Enerji Depolamanın Geleceği – Şebeke Ölçeğinde Pil Teknolojileri” ve “Enerji Geçişi İçin Kimyasal Olmayan Pil Alternatifleri” makalelerimizde tartıştık.

Her ne olursa olsun, enerji sistemlerinin geleceği kitle elektrifikasyonuna doğru ilerliyor. Ve pil teknolojisi çok hızlı bir şekilde ilerliyor; bu da EV’lerin ve yenilenebilir enerjilerin kitlesel benimsenmesindeki son engeli kaldırabilir.