Bugüne kadar araçların yalnızca %2'si elektrikli, ancak bu oranın 30'da %2030'a ulaşması bekleniyor. Elektrikli araçların (EV'ler) ticarileştirilmesini iyileştirmenin anahtarı, bunların kilogram başına watt-saat olarak ölçülen gravimetrik enerji yoğunluğunu artırmaktır. daha güvenli, kolayca geri dönüştürülebilen, bol miktarda malzeme. Anotlardaki lityum-metal, 240 Wh/kg'lık daha rekabetçi enerji yoğunluğuna ulaşma yarışında 500 Wh/kg'lık grafit gibi yerleşik seçeneklerle karşılaştırıldığında, EV pillerindeki enerji yoğunluğunu artırmak için "kutsal kâse" olarak kabul ediliyor.
Houston Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, Rice Üniversitesi'ndeki meslektaşlarıyla birlikte bu zorluğun üstesinden geliyorlar. Ekip, elektrot mikro yapısını değiştirmek için solvent destekli bir işlem kullanarak organik bazlı, katı hal lityum pillerin enerji yoğunluğunda iki kat iyileşme olduğunu gösterdi.
Artık madenlerde bulunan kıt geçiş metallerine ihtiyaç duymayacak katı hal pili için düşük maliyetli, toprakta bol miktarda bulunan, kobalt içermeyen organik bazlı katot malzemeleri geliştiriyoruz" dedi ekip. "Bu araştırma, daha sürdürülebilir bir alternatif kullanarak EV pil enerji yoğunluğunu artırmada ileriye doğru atılmış bir adımdır.
Herhangi bir pil, negatif elektrot olarak da bilinen bir anot ve pozitif elektrot olarak da bilinen ve pilde gözenekli bir membranla ayrılan bir katot içerir. Lityum iyonları, örneğin bir araç için elektrik üreten elektronların şarj edilmesini ve boşaltılmasını sağlayan bir elektrolit olan iyonik bir iletkenden akar.
Elektrolitler genellikle sıvıdır ancak bu gerekli değildir; nispeten yeni bir kavram olan katı da olabilirler. Lityum metal anotla birleştirilen bu yenilik, kısa devreyi önleyebilir, enerji yoğunluğunu artırabilir ve daha hızlı şarjı mümkün kılabilir.
Katotlar tipik olarak kapasiteyi belirler ve Voltaj ve kobalt gibi kıt malzemelerin kullanımı nedeniyle pillerin en pahalı kısmıdır; 65,000'da 2030 tonluk bir açığa ulaşacak. Kobalt bazlı katotlar, mükemmel özellikleri nedeniyle neredeyse yalnızca katı hal pillerinde kullanılıyor. verim; Organik bileşik bazlı lityum piller (OBEM-Li) ancak son zamanlarda daha bol bulunan, daha temiz ve daha kolay geri dönüştürülebilen bir alternatif olarak ortaya çıktı.
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki lityum iyon pillerin tedarik zinciriyle ilgili büyük endişeler var. Bu çalışmada araştırmacılar, geçiş metali bazlı katotları, her ikisi de ABD'nin dünyadaki en büyük kapasiteye sahip olduğu bir petrol rafinerisinden veya biyorafineriden elde edilen organik malzemelerle değiştirerek yüksek enerji yoğunluğuna sahip lityum piller üretme olasılığını gösteriyor.
Kobalt bazlı katotlar, ekip tarafından ilk kez daha önceki yayınlarında gösterilen OBEM-Li pillerinde olduğu gibi, 800 Wh/kg malzeme düzeyinde spesifik enerji veya voltaj çarpı kapasite üretir; ancak önceki OBEM-Li pilleri sınırlıydı. İdeal olmayan katot mikro yapısından dolayı aktif malzemelerin düşük kütle oranı. Bu, toplam enerji yoğunluğunu sınırladı.
Ekip, katot içinde iyileştirilmiş iyon taşınması için katot mikro yapısını optimize ederek OBEM-Li pillerde elektrot seviyesindeki enerji yoğunluğunun nasıl iyileştirilebileceğini ortaya çıkardı. Bunu yapmak için mikro yapı tanıdık bir çözücü olan etanol kullanılarak değiştirildi. Kullanılan organik katot piren-4,5,9,10-tetraon veya PTO'ydu.
Kobalt bazlı katotlar sıklıkla tercih edilir çünkü mikro yapı doğal olarak idealdir ancak organik bazlı katı hal pilinde ideal mikro yapıyı oluşturmak daha zordur.
Elektrot seviyesinde, solvent destekli mikro yapı, aktif malzemenin kullanım oranını önemli ölçüde artırarak enerji yoğunluğunu kuru karışım mikro yapıya kıyasla 300 Wh/kg'ın biraz altında 180 Wh/kg'a çıkardı. Daha önce aktif malzeme sayısı artırılabiliyordu ancak kullanım yüzdesi hâlâ %50 civarında düşüktü.
Son on yılda maliyet EV piller orijinal maliyetlerinin neredeyse %10'una düştü ve bu da onları ticari olarak uygun hale getirdi. Yani on yılda çok şey olabilir. Bu araştırma, daha sürdürülebilir EV'lere doğru süreçte önemli bir adım ve önümüzdeki on yıllık araştırma için bir sıçrama tahtasıdır. Bu gidişle, belki de kelimenin tam anlamıyla ve üstü kapalı olarak gelecek diğer tarafta çok daha yeşil görünüyor.