ABD'deki Vanderbilt Üniversitesi ve Maryland Üniversitesi'nden araştırmacılar, lityum-kükürt bataryaların enerji depolama kapasitesini artıran yeni bir kimyasal yöntem geliştirdi. Klor kullanılarak kükürt atomlarının şarj sırasında iki yerine üç elektron alışverişi yapması sağlandı. Nature Energy dergisinde yayımlanan çalışmaya göre yöntem, kükürdün şarj depolama kapasitesini yaklaşık yüzde 58 artırdı ve ortalama çalışma voltajını 2,05 volttan 2,54 volta yükseltti.
Lityum-kükürt batarya nedir?
Lityum-kükürt bataryalar, pozitif kutupta (katot) kükürt, negatif kutupta ise lityum metal kullanan bir batarya türü. Kükürt, doğada bol bulunan ve günümüzdeki lityum-iyon pillerde kullanılan katot malzemelerine göre daha ucuz bir element. Bu bataryalar, teorik olarak lityum-iyon pillerden daha fazla enerji depolayabildiği için elektrikli araçlar ve havacılık gibi alanlarda geleceğin teknolojileri arasında gösteriliyor.
Üçüncü elektron ne sağlıyor?
Geleneksel lityum-kükürt bataryalarda her kükürt atomu, şarj ve deşarj sırasında iki elektron alışverişinde bulunuyor. Yeni yöntemde klor sayesinde bu sürece üçüncü bir elektron katılıyor. Her kükürt atomunun daha fazla elektron taşıması, aynı miktardaki kükürdün daha fazla enerji depolaması anlamına geliyor. Çalışma voltajının artması da bataryanın sunduğu enerjiyi yükseltiyor.
Klor kullanımındaki zorluk neydi?
Araştırmanın en önemli aşaması, yeni kimyasal reaksiyonun tersine çevrilebilir, yani bataryanın tekrar tekrar şarj edilebilir olmasını sağlamaktı. Klorun şarj sırasında kükürtle etkileşime girmesi gerekiyordu. Ancak ortaya çıkan kükürt-klor bileşiğinin lityum metal elektrotla tepkimeye girmesi önlenmeliydi. Ekip, farklı elektrolitlerdeki lityum ve klorür iyonlarının davranışını moleküler simülasyonlarla inceledi. Bu hesaplamalar sayesinde klorürün kükürtle tepkimeye hazır kalmasını sağlayan ve oluşan bileşiğin çözünmesini engelleyen özel bir elektrolit tasarlandı.
Prototip testlerde nasıl sonuç verdi?
Araştırmacılar, teknolojiyi erken aşama düğme pil testlerinin ötesine taşıyarak tek katmanlı küçük bir kese (pouch) hücre prototipi üretti. Kese hücreler, telefon ve elektrikli araç bataryalarında yaygın kullanılan ince ve esnek batarya formatı. Testlerde prototip, 100 şarj döngüsünün ardından ilk kapasitesinin yüzde 78'ini korudu.
Yeni batarya ne kadar enerji depolayabilir?
Araştırmacıların hesaplamalarına göre, ana batarya bileşenleri de dikkate alındığında yöntem kilogram başına 477 watt-saat enerji yoğunluğuna ulaşabilir. Bu değer, geleneksel lityum-kükürt sistemlerine göre yüzde 37'lik bir artış anlamına geliyor. Karşılaştırma için, günümüzde yaygın kullanılan lityum-iyon hücreler genellikle kilogram başına 250 ila 300 watt-saat civarında enerji yoğunluğu sunuyor.
Teknoloji ne zaman ticari bataryalarda kullanılabilir?
Teknoloji henüz prototip aşamasında. Ticari bataryalarda kullanılabilmesi için lityum metal elektrotun güvenli kullanımı ve elektrolit miktarının azaltılması gibi sorunların çözülmesi gerekiyor. Ayrıca 100 döngü, günlük kullanımda binlerce kez şarj edilmesi gereken ticari bataryalar için henüz yeterli değil. Bu nedenle araştırmanın ticari ürünlere dönüşmesi için daha uzun süreli testlere ihtiyaç duyuluyor.
