Şarj ve deşarj sırasında lityum iyonları akü elektroduna girip çıktığında, küçük bir miktar oksijen dışarı sızar ve akü Voltaj- ne kadar enerji sağladığının bir ölçüsü - aynı derecede küçük bir miktar kaybolur. Kayıplar zamanla artar ve sonunda pilin enerji depolama kapasitesinin %10-15 oranında azalmasına neden olabilir.
Artık araştırmacılar bu süper yavaş süreci benzeri görülmemiş bir ayrıntıyla ölçerek, kaçan oksijen atomlarının bıraktığı deliklerin veya boşlukların elektrotun yapısını ve kimyasını nasıl değiştirdiğini ve depolayabileceği enerji miktarını kademeli olarak nasıl azalttığını gösterdi.
Sonuçlar, bilim adamlarının bu süreç hakkında yaptığı bazı varsayımlarla çelişiyor ve bunu önlemek için elektrot mühendisliğinin yeni yollarını önerebilir.
Araştırmacılar yüzlerce döngü boyunca çok yavaş bir şekilde dışarı sızan çok küçük bir oksijen miktarını ölçebildiler. Araştırma ekibiyle birlikte deneyler üzerinde çalışan Stanford'dan bir Araştırmacı. "Bu kadar yavaş olması da tespit edilmesini zorlaştırdı" dedi.
İki yönlü sallanan sandalye
Lityum-iyon piller sallanan bir sandalye gibi çalışır ve lityum iyonlarını geçici olarak şarj depolayan iki elektrot arasında ileri geri hareket ettirir. İdeal durumda, her elektrotu oluşturan milyarlarca nanopartikülün içine girip çıkan tek şey bu iyonlardır. Ancak araştırmacılar bir süredir lityumun ileri geri hareket etmesiyle oksijen atomlarının parçacıklardan dışarı sızdığını biliyorlardı. Bu sızıntılardan gelen sinyaller doğrudan ölçülemeyecek kadar küçük olduğundan ayrıntıları belirlemek zor oldu.
Araştırmacı, "500 pil şarj ve deşarj döngüsünden oluşan toplam oksijen sızıntısı miktarı %6'dır" dedi. "Bu o kadar da küçük bir sayı değil ama her döngü sırasında ortaya çıkan oksijen miktarını ölçmeye çalışırsanız, bu yaklaşık yüzde yüzde biri kadardır."
Bu çalışmada araştırmacılar, oksijen kaybının parçacıkların kimyasını ve yapısını nasıl değiştirdiğine bakarak sızıntıyı dolaylı olarak ölçtüler. Süreci, en küçük nanopartiküllerden nanopartikül yığınlarına ve bir elektrotun tam kalınlığına kadar çeşitli uzunluk ölçeklerinde izlediler.
Araştırmacı, pillerin çalıştığı sıcaklıklarda oksijen atomlarının katı malzemeler içinde hareket etmesinin çok zor olması nedeniyle, oksijen sızıntılarının yalnızca nanopartiküllerin yüzeylerinden geldiği yönündeki geleneksel görüşe rağmen bu konu tartışmaya açık.
Neler olduğuna daha yakından bakmak için araştırma ekibi, pilleri farklı sürelerde çalıştırdı, parçalarına ayırdı ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'nın Gelişmiş Işık Kaynağı'nda ayrıntılı inceleme için elektrot nanoparçacıklarını dilimledi. Orada, özel bir X-ışını mikroskobu örnekleri tarayarak yüksek çözünürlüklü görüntüler oluşturuyor ve her küçük noktanın kimyasal yapısını araştırıyor. Bu bilgi, metrenin milyarda biri düzeyinde ölçülen nano ölçekli ayrıntıları ortaya çıkarmak için fitografi adı verilen bir hesaplama tekniğiyle birleştirildi.
Bu arada, SLAC'ın Stanford Synchrotron Işık Kaynağı'nda ekip, nano ölçekte gördüklerinin çok daha büyük ölçekte de doğru olduğunu doğrulamak için tüm elektrotlara X ışınları gönderdi.
Bir patlama, ardından bir damlama
Deneysel sonuçları, oksijen kaybının nasıl oluşabileceğine ilişkin bilgisayar modelleriyle karşılaştıran ekip, ilk oksijen patlamasının parçacıkların yüzeylerinden kaçtığı, ardından içeriden çok yavaş bir damlama olduğu sonucuna vardı. Nanopartiküllerin daha büyük kümeler oluşturacak şekilde bir araya geldiği yerde, kümenin merkezine yakın olanlar yüzeye yakın olanlardan daha az oksijen kaybetti.
Araştırmacı, bir diğer önemli sorunun da oksijen atomlarının kaybının geride bıraktıkları malzemeyi nasıl etkilediği olduğunu söyledi. “Bu aslında büyük bir gizem” dedi. "Nanopartiküllerdeki atomların sıkı paketlenmiş küreler gibi olduğunu hayal edin. Oksijen atomlarını dışarı çıkarmaya devam ederseniz her şey çökebilir ve yoğunlaşabilir, çünkü yapı birbirine yakın durmayı sever."
Elektrotun yapısının bu yönü doğrudan görüntülenemediği için bilim insanları diğer deneysel gözlem türlerini çeşitli oksijen kaybı senaryolarının bilgisayar modelleriyle bir kez daha karşılaştırdılar. Sonuçlar, boşlukların devam ettiğini (malzemenin çöküp yoğunlaşmadığını) gösterdi ve bunların pilin kademeli olarak azalmasına nasıl katkıda bulunduğunu ortaya koydu.
“Oksijen ayrıldığında çevredeki manganez, nikel ve kobalt atomları göç eder. Araştırmacı, "Bütün atomlar ideal konumlarının dışında dans ediyor" dedi. "Metal iyonlarının bu şekilde yeniden düzenlenmesi, oksijen eksikliğinin neden olduğu kimyasal değişikliklerle birlikte zamanla pilin voltajını ve verimliliğini azaltır. İnsanlar bu olgunun çeşitli yönlerini uzun zamandır biliyorlardı ancak mekanizma belirsizdi."
Artık bu önemli kaynak hakkında "bilimsel, aşağıdan yukarıya bir anlayışa sahibiz" dedi. pil oksijen kaybını ve bunun zararlı etkilerini azaltmanın yeni yollarına yol açabilecek bozulma.