Yüksek Enerjili Lityum İyon Pilleri İyileştirmek için Karbon Nanotüpler Kullanma
Lityum iyon pillerdeki iletken karbon nanotüpler, tersine çevrilebilir enerji depolamayla yüksek güç çıkışı sağlar.
Lityum-iyon piller, birçok taşınabilir aygıtın yanı sıra elektrikli araçlar için ana şarj edilebilir güç kaynağıdır, ancak kullanımları sınırlıdır, çünkü aynı anda tersine çevrilebilir enerji depolamaya izin verirken yüksek güç çıkışı sağlamazlar.
AIP Publishing tarafından Applied Physics Reviews’da bildirilen araştırma, iletken dolguların dahil edilmesinin pil performansını nasıl artırdığını göstererek bir çözüm sunmayı amaçlamaktadır.
Optimum pil tasarımı, kalın elektrot yapılarını içerir. Bu, enerji yoğunluğunu artırır, ancak tasarım, bu elektrotların işleyişinde önemli bir adım olan zayıf lityum iyon taşınmasından muzdariptir.
Lityum iyonlarının taşınmasını kolaylaştırmak için dikey olarak hizalanmış kanallar oluşturmak veya uygun boyutta gözenekler oluşturmak dahil olmak üzere çeşitli geliştirme teknikleri denenmiştir.
Diğer bir yaklaşım, elektrik ileten karbondan yapılmış dolgu maddelerinin kullanılmasını içerir.
Bu çalışma, üç tür dolgu maddesini dikkate aldı: tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT’ler), grafen nano-tabakalar ve petrol öncüllerinin oksidasyonu sırasında üretilen bir tür karbon siyahı parçacığı olan Süper P olarak bilinen bir madde.
Super P, lityum iyon pillerde en yaygın kullanılan iletken dolgu maddesidir.
Dolgular, nikel, kobalt ve manganez içeren NCM olarak bilinen bir tür elektrot malzemesine eklendi. Araştırmacılar, elde edilen kompozitleri taramalı elektron mikroskobu ile inceledi.
Super P ve NCM partiküllerinin noktadan noktaya temas modunda düzenlendiği bulundu.
Bununla birlikte, SWCNT’ler, iletken bir kaplama oluşturacak şekilde NCM partiküllerinin etrafına sarıldı.
Ek olarak, NCM parçacıkları arasındaki boşluklarda birbirine bağlı SWCNT ağları gözlemlendi. Grafen nano tabakalar da NCM elektrot partiküllerinin etrafına sarıldı, ancak SWCNT’ler kadar tekdüze değil.
SWCNT’lerin NCM elektrotları için en iyi iletken dolgu maddesi olduğu bulundu.
Yazarlardan biri olan Guihua Yu, “Ölçülen iletkenlik süzülme teorisi ile tutarlı … Bir yalıtım matrisine elektriksel olarak iletken bir dolgu eklendiğinde, kompozit boyunca ilk iletken yol oluşturulduktan sonra iletkenlikte önemli artışlar meydana gelecektir” dedi.
Süzülme, dolgu maddesi boyunca tam bir yol gerektirdiğinden, yeterli miktarda iletken dolguya ihtiyaç vardır.
Bu nedenle, araştırmacılar çeşitli miktarlarda dolgu maddesini değerlendirdiler ve NCM elektrotlarını ağırlıkça %0.16 kadar az SWCNT ile birleştirmenin iyi elektrik iletkenliği ürettiğini buldular.
Aynı sonuçları elde etmek için daha yüksek miktarlarda Süper P ve grafen gerekliydi.
Araştırmacılar, elde edilen kompozitleri incelemek için Raman ve X-ışını absorpsiyon spektroskopisi dahil olmak üzere çeşitli spektroskopik teknikler kullandılar.
Bu, ABD Enerji Bakanlığı Temel Enerji Bilimleri programı tarafından desteklenen bir Enerji Sınır Araştırma Merkezi olan Mesoscale Transport Properties Merkezi’nin ortak çabasıdır.
Bulgularımız, SWCNT’lerin NCM elektroduna entegrasyonunun iyon ve yük transferini kolaylaştırdığını göstermektedir. Bu, özellikle yüksek deşarj oranlarında daha yüksek elektrokimyasal kullanıma yol açacaktır ”dedi.
Kaynak: Zhengyu Ju, Xiao Zhang, Steven T. King, Calvin D. Quilty, Yue Zhu, Kenneth J. Takeuchi, Esther S. Takeuchi, David C. Bock, Lei Wang, Amy C. Marschilok ve Guihua Yu, 10 Kasım 2020, Applied Physics Reviews.