Lityum açısından zengin pillere atomik bir bakış

0
38

Lityum açısından zengin bir katodun görselleştirilmesi. Kredi: Carnegie Mellon Üniversitesi ve Northeastern Üniversitesi

Piller, Volta’nın 200 yıl önce bakır ve çinko diskleri ilk kez bir araya getirmesinden bu yana çok yol kat etti. Teknoloji kurşun asitten lityum iyona gelişmeye devam ederken, daha yüksek yoğunluğa ulaşmak ve dendrit büyümesini bastırmak gibi birçok zorluk hala var. Uzmanlar, enerji açısından verimli ve güvenli pillere yönelik artan küresel ihtiyacı karşılamak için yarışıyor.

Ağır hizmet araçlarının ve uçakların elektrifikasyonu, daha fazla enerji yoğunluğuna sahip piller gerektirir. Bir araştırma ekibi, bu endüstriler için pil teknolojisinde önemli bir etki yaratmak için bir paradigma değişikliğinin gerekli olduğuna inanıyor. Bu kayma, lityum açısından zengin katotlardaki anyonik indirgeme-oksidasyon mekanizmasından yararlanacaktır. Nature’da yayınlanan bulgular, lityum açısından zengin bir pil malzemesinde bu anyonik redoks reaksiyonunun ilk kez doğrudan gözlemlendiğine işaret ediyor.

İşbirliği yapılan kurumlar arasında Finlandiya’daki Carnegie Mellon Üniversitesi, Northeastern Üniversitesi, Lappeenranta-Lahti Teknoloji Üniversitesi (LUT) ve Japonya’daki Gunma Üniversitesi, Japonya Synchrotron Radyasyon Araştırma Enstitüsü (JASRI), Yokohama Ulusal Üniversitesi, Kyoto Üniversitesi ve Ritsumeikan Üniversitesi bulunmaktadır.

Lityum açısından zengin oksitler, çok daha yüksek depolama kapasitelerine sahip oldukları gösterilmiş olduğundan umut verici katot malzeme sınıflarıdır. Ancak, pil malzemelerinin karşılaması gereken bir “VE sorunu” vardır – malzeme hızlı şarj edilebilmeli, aşırı sıcaklıklara dayanıklı olmalı ve binlerce döngü için güvenilir bir şekilde dönmelidir. Bilim adamlarının bunu ele almak için bu oksitlerin atomik düzeyde nasıl çalıştığını ve bunların altında yatan elektrokimyasal mekanizmaların nasıl bir rol oynadığını net bir şekilde anlaması gerekiyor.

Normal Li iyon piller, bir metal iyonu lityum yerleştirildiğinde veya çıkarıldığında oksidasyon durumunu değiştirdiğinde katyonik redoks ile çalışır. Bu yerleştirme çerçevesinde, metal iyonu başına yalnızca bir lityum iyonu depolanabilir. Bununla birlikte, lityum açısından zengin katotlar çok daha fazlasını depolayabilir. Araştırmacılar bunu anyonik redoks mekanizmasına bağlıyorlar – bu durumda oksijen redoks. Bu, geleneksel katotlara kıyasla enerji depolamasını neredeyse iki katına çıkaran, malzemelerin yüksek kapasitesiyle ilişkilendirilen mekanizmadır. Bu redoks mekanizması, pil teknolojileri arasında önde gelen rakip olarak ortaya çıkmış olsa da, malzeme kimyası külliyatından radikal bir ayrılığı temsil ediyor.

Ekip, bir fotonun bir parçacık (genellikle bir elektron) ile etkileşime girdikten sonra düz bir yörüngeden saptığı fenomen olan Compton saçılımını kullanarak redoks mekanizması için kesin kanıtlar sağlamak için yola çıktı. Araştırmacılar, JASRI tarafından işletilen dünyanın en büyük üçüncü nesil senkrotron radyasyon tesisi olan SPring-8’de sofistike teorik ve deneysel çalışmalar gerçekleştirdiler.

Sinkrotron radyasyonu, elektron ışınları neredeyse ışık hızına kadar hızlandırıldığında ve bir manyetik alan tarafından kavisli bir yolda ilerlemeye zorlandığında üretilen dar, güçlü elektromanyetik radyasyon ışınlarından oluşur; bu durumda Compton saçılması görünür hale gelir.

Araştırmacılar, tersinir ve kararlı anyonik redoks aktivitesinin kalbinde yer alan elektronik yörüngenin nasıl görüntülenebileceğini ve görselleştirilebileceğini ve karakterinin ve simetrisinin belirlendiğini gözlemlediler. Bu bilimsel ilk, gelecekteki pil teknolojisi için oyunun kurallarını değiştirebilir.

Önceki araştırmalar, anyonik redoks mekanizmasının alternatif açıklamalarını önermiş olsa da, standart deneylerle ölçülemediğinden redoks reaksiyonlarıyla ilişkili kuantum mekaniksel elektronik orbitallerin net bir görüntüsünü sağlayamadı.

Araştırma ekibi, teori ve deneysel sonuçlar arasındaki redoks karakterindeki anlaşmayı ilk gördüklerinde bir “a-ha” anı yaşadılar. Doktora sonrası bir araştırma olarak bu çalışmayı yürüten çalışmanın baş yazarı Hasnain Hafiz, “Analizimizin, pil araştırması için temel olarak önemli olan redoks mekanizmasından sorumlu oksijen durumlarını görüntüleyebileceğini fark ettik” dedi. Carnegie Mellon’da ortak.

Carnegie Mellon’da makine mühendisliği doçenti olan Venkat Viswanathan, “Lityum açısından zengin bir pil malzemesindeki anyonik redoks mekanizmasını destekleyen kesin kanıtlarımız var” dedi. “Çalışmamız, atomik ölçekte lityum açısından zengin bir pilin işleyişinin net bir resmini sunuyor ve elektrikli havacılığı mümkün kılmak için yeni nesil katotların tasarlanması için yollar öneriyor. Yüksek enerji yoğunluklu katotların tasarımı, piller için bir sonraki sınırı temsil ediyor. ”

Uzun çevrim ömrüne sahip hibrit redoks akışlı pil Daha fazla bilgi: Li bakımından zengin pil malzemelerinde bağlanmayan oksijen orbitallerinin tomografik rekonstrüksiyonu, Nature, DOI: 10.1038/s41586-021-03509-z Carnegie Mellon Üniversitesi Makine Mühendisliği tarafından sağlanmıştır

Alıntı: 9 Haziran 2021’de https://techxplore.com/news/2021-06-atomic-lithium-rich-bateries.html adresinden alınan lityum açısından zengin pillere (2021, 9 Haziran) atomik bir bakış

Bu belge telif haklarına tabidir. Özel çalışma veya araştırma amaçlı herhangi bir adil işlem dışında, yazılı izin alınmadan hiçbir kısmı çoğaltılamaz. İçerik yalnızca bilgi amaçlı verilmiştir.

CEVAP VER

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz