Yeni süreç pillerde geri dönüşü olmayan enerji kaybını önlemeyi hedefliyor
Çoğu zaman bir pil tam olarak şarj edildiğini söylediğinde, pil üretiminin oluşum aşamasında meydana gelebilecek kalıcı Li iyon kaybı nedeniyle kapasite genellikle depolanabilen teorik enerji yoğunluğunun yalnızca %70-90'ında olur.
Bunun üstesinden gelmek ve Li iyonlarının bu ilk kaybını önlemek amacıyla, Kore Bilim Enstitüsü'nden bilim adamları ve Teknoloji (KIST), grafit-silikon oksit (SiOx, 0.5 ≤ x ≤ 1.5) kompozit anotlardaki bu ilk Li iyon kaybını en aza indirebilen bir elektrot ön arıtma çözümü geliştirdi.
Çözeltiye daldırıldıktan sonra %50 SiOx'ten oluşan anot, ihmal edilebilir düzeyde Li kaybı göstererek tam bir hücrenin ideale yakın enerji yoğunluğu sergilemesine olanak sağladı.
Çoğu ticari Li pil, bir grafit anot kullanır, ancak SiOx, grafitten 5-10 kat daha büyük olan yüksek kapasitesi nedeniyle büyük ilgi toplamaktadır. Ancak SiOx geri dönülemez biçimde grafitten üç kat daha fazla aktif Li tüketiyor. Sonuç olarak, grafit ve SiOx karışımından oluşan kompozit elektrot, pratik yeni nesil anotlara alternatif olarak tanıtıldı.
Daha yüksek SiOx oranlarında grafit-SiOx kompozit elektrotların kapasitesinde buna karşılık gelen bir artış olurken, aynı zamanda başlangıç Li kaybında da bir artış oldu. Sonuç olarak, bir grafit-SiOx kompozit elektrottaki SiOx içeriğinin oranının %15 ile sınırlandırılması gerekiyordu çünkü oranın %50'ye arttırılması, başlangıçta %40'lık Li kaybıyla sonuçlanacaktı.
Buna karşı koymak için KIST'teki araştırma ekibi, SiOx elektrotunun Li tüketimini azaltmak için elektrotun benzersiz bir çözüme daldırıldığı bir süreç geliştirdi. Ekip daha sonra bu işlemi önemli ticarileşme potansiyeline sahip bir grafit-SiOx kompozit malzemeye uyguladı.
Ekip, daha önce geliştirilen ön arıtma çözümlerinin, grafitin çok yönlü interkalasyon kapasitesi nedeniyle, Li iyonları içeren solvent moleküllerinin grafitin içine istenmeyen şekilde eklenmesine neden olacağını buldu. Büyük solvent moleküllerinin bu araya girmesi, grafit-SiOx kompozit elektrotun yapısal bozulmasına neden oldu. Elektrot arızasını önlemek için araştırmacılar, solvent ile Li iyonları arasındaki etkileşimi azaltmak amacıyla zayıf çözünen bir solvent kullanan alternatif bir çözüm geliştirdiler. Bu çözüm, Li iyonlarının aktif malzemelere seçici olarak eklenmesini sağlayarak, grafit-SiOx kompozit elektrota ilave Li'nin istikrarlı bir şekilde beslenmesini sağladı.
Grafit-SiOx elektrotun %1 SiOx oranında dahi olsa araştırma ekibi tarafından geliştirilen çözelti içerisine yaklaşık 50 dakika daldırılmasının ardından başlangıçtaki Li tüketimi tamamen önlendi. Sonuç olarak, elektrot yaklaşık %100'lük yüksek bir başlangıç verimliliği gösterdi; bu da başlangıç şarjında ihmal edilebilir Li kaybının (≤ %1) olduğunu gösteriyor. Bu işlemle geliştirilen elektrotlar, geleneksel grafit anotlardan 2.6 kat daha yüksek bir kapasiteye sahipken, 87.3 şarj/deşarj döngüsünden sonra da başlangıç kapasitesinin %250'ünü korudu.
KIST'ten Dr. Minah Lee'ye göre, "Bu çalışmanın sonucunda, grafit-SiOx kompozit anotlardaki SiOx içeriğini, geleneksel malzemelerin izin verdiği %50 oranına kıyasla %15'nin üzerine çıkarabilmeliyiz. Daha büyük kapasiteye sahip lityum iyon piller üretmek ve gelecekteki elektrikli araçların kilometre performansını artırmak mümkün.”
KIST'in ortak araştırmacılarından Dr. Jihyun Hong şöyle devam etti: "Teknoloji güvenli ve seri üretime uygun, dolayısıyla ticarileştirilmesi muhtemel."