Bataryaların kapasitelerini yitirmelerine neden olan etken bulundu!

Daha iyi pil üretimi için verilen uğraşlar çoğunlukla pil kapasitesini artırmaya yönelmiş durumda. Fakat kapasite sürekli tekrarlanan şarj etme döngüsüne dayanıklılık olmadan bir pil için değersiz kalıyor. En gelişmiş lityum-iyon piller bile yaşlandıklarında kapasitelerini yitiriyorlar ve buna neden olan etkeni bilmeden onu düzeltmek için hiçbir şey de yapamıyoruz. ABD Enerji Departmanı'nda yapılan yeni çalışmalar bu etkeni ortaya çıkardı. Bu çalışmalara göre sorun küçük, nano boyutlu kristallerde. 

Bu gizemi aydınlatmada en önemli adım modern pillerde kullanılan anot ve katot materyallerinin doğrudan gözlenmesi oldu. Bilim insanları bu parçaların yaşlanmayla ilgili pil aşınmasının başladığı noktalar olarak belirlemişlerdi zaten fakat bunun arkasındaki mekanizma bilinmiyordu. Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda çalışan ekip yüksek kaliteli nikel oksit anotların şarj edilip boşaltılma esnasında geçirdikleri değişimleri incelemek için geçirimli elektron mikroskobu kullandı.

Bu deney lityum iyonlarının anot ve katottan geçerken nikel oksit ile birleşerek küçük kristalleri (kısaca tuz da denilebilir) oluşturmaları nedeniyle iyon kanallarında takıldıklarını ortaya çıkardı. Bu oluşan kristaller pilin yapısını değiştiriyor ve diğer iyonların daha verimsiz şekilde ilerlemelerine neden oluyor, böylece pilin kapasitesi düşmüş oluyor.

Lityum-iyon pilin kusurunun nihai nedeni, doğal olarak, yapısını oluşturan parçaların kusursuz olmaması. Anot ve katodu oluşturan materyaller, ne kadar dikkatlice inşa edilmiş olurlarsa olsunlar, çok küçük kusurlara sahipler ve bu kusurlar da kristal oluşumu için çekirdeklenme bölgesi sağlıyorlar. Bu biraz tamamen pürüzsüz bir tencerede su ısıtılması ile yüzeyinde kusurlar olan bir tencerede su ısıtılmasının karşılaştırılmasına benziyor. Suyun içinde ısı nedeniyle oluşacak olan baloncukların oluşmak için kusurlu bir yüzeye ihtiyaçları var. Bu pillerin içindeki nanokristaller için de geçerli olan bir gerçek. Araştırma ekibi bunu anodun zırhındaki çiziklere benzetiyor. Eğer kristallerin oluşabileceği bölgeler varsa, kristaller oluşacaktır.

Enerji Departmanı'nın Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'ndan bir diğer çalışma da şarj olma hızı ve pillerin kapasitesi hakkında, ama bu çalışma ise katot üzerine yoğunlaşmış. Çalışmaya göre daha yüksek enerji yoğunluğu için verilen çaba gerçekten de pilin ömründe kısalmaya neden olabilirmiş. Pil büyüdükçe ve şarj olma sırası kısaldıkça nanokristalleşmenin başlaması için geçen şarj döngüsü sayısı da kısalıyor.

Pekala, nanokristallerin oluşumunu engelleyemiyoruz, ama bu süreci tersine çevirmenin ya da en azından onu yavaşlatmanın bir yolu yok mu? Pil parçalarına atomik boyutta müdahale ederek elimizden geldikçe kusurları düzeltmeyi deneyebiliriz. Bu, iyon kanallarının tıkanmasına neden olan yapıların oluşmasını yavaşlatabilir. Bu işlem sorunu tamamen ortadan kaldıramasa da mühendislerin pil ömründen yemeden enerji yoğunluğunu artırmalarına yardım edebilir. Bu nanokristallerin dikkatli incelenmesi onların kırılarak eski pillere hayat verilmesini sağlayabilir.

Bu araştırma, daha hızlı donanımlara güç veren pilleri güçlendirmek için yapılan çalışmalardan daha hayati olabilir. Çünkü bir ürünün kullanım ömrü, çoğu zaman, onun tekrar tekrar şarj edilebilme sayısı ile ölçülüyor. Tekrar tekrar şarj edilmeye dayanıklılık, şirketlerin her yeni akıllı telefonu, dizüstü bilgisayarı ve tabletleriyle ağırlığını daha da hissettirirken bizlere de elektriğe ne kadar bağımlı olduğumuzu hatırlatıyor.

Kaynak: Bilim.org