Bataryalar İçin Devrim Niteliğinde Gelişme: Bor

Bataryalar İçin Devrim Niteliğinde Gelişme: Bor

Li-ion’un halefi – akıllı telefonlarımıza bir adım daha yaklaşıyor.

Lityum-iyon (Li-ion) piller, akıllı telefonlar ve günümüzde bataryayla çalışan diğer cihazların çoğu için şarj edilebilir bir hücredir. Yaygınlıklarına rağmen, Li-ion piller güç yoğunluğunda sınırlıdır, oldukça kısa ömürlüdür ve hasarlı veya yanlış şarj edilmişse yangın tehlikesi oluşturabilir. Bu dezavantajlar, aygıtlar katı hal batarya teknolojilerine geçerse çok uzak olmayan bir gelecekte mazide kalmış olacak.

Katı hal batarya teknolojisi yepyeni bir fikir değil, ancak malzeme oluşturmak, tasarım güvenliği, maliyetler ve üretim teknikleri benimsemeyi engelliyor. Geleneksel Lityum-İyon bataryalarla neden küçük bir arka plana daldığımızı ve neden değiştirilmelerinin kolay olmadığını anlamak istedik.

Dendritlerle sorun

Maliyetlerin yanı sıra, dendritler, katı hal pilleriyle en büyük problemdir. Dendrit, tipik olarak anotta başlayan ve pil boyunca yetişebilen kristal benzeri bir lityum metal birikimidir. Bu, katı elektrolit içindeki iyonların bir katı lityum metal tabakası oluşturmak için elektronlarla birleştiği yüksek akım şarj ve deşarjının bir sonucu olarak ortaya çıkar.

Dendrite yapısı, bataryanın mevcut elektrolit kapasitesini düşürür ve şarj deposunu azaltır. Daha da kötüsü, büyük dendrit birikmesi sonunda pil katodunu / anot ayırıcısını delip, pili tahrip edecek ve yangına neden olabilecek kısa bir devreye neden olacaktır.

Bugünün Li-ion pilleri, iyonların daha fazla kapasite için birbirine daha yakın bir şekilde paketlenmesini sağlayacak sağlam bir metal yerine iletken yollar için sıvı elektrolitler kullanarak dendrit konusunu engelliyor. Ne yazık ki, bu sıvı yanıcıdır ve Li-ion pillerin yüksek basınç, ısı veya akım altında yanmasına neden olabilir. Grafit daha sonra, bir araya getirilen lityum anot malzemesinde sık sık kullanılır, bu da bir miktar masrafla maksimum şarj akışı için uzun vadeli stabilite sunar. Grafen ve silikon bazlı alaşımlar performansı artırmak için deney paylarını gördüler.

Kombine Li-ion batarya kimyasalları, malzemeleri ve yapısı, iyonların akışını esasen azaltarak ve kontrol ederek dendrit oluşumunu sınırlar. Dengeleme, pil yoğunluğu ve kapasitesinin kaybı ve artan yanıcılık ve güvenlik korumasına olan ihtiyaçtır. Katı hal lityum metal piller, şarj edilebilir pil performansının kutsal kâsesi olarak kabul edilir, ancak sıvı Li-ion hücrelere göre dengelenmesi çok daha zordur.

Yeni araştırma problemi nasıl çözüyor?

Brookhaven Ulusal Laboratuarı ve New York Şehir Üniversitesi’ndeki meslektaşları ile yürütülen Columbia Üniversitesi Mühendislik ekibinden yapılan araştırma, katı hal pilleri için dendrit sorunu için bir çözüm sunuyor.

5-10 nm’lik bir bor nitrür (BN) nano filmi, lityum metalini ve iyonik iletkeni izole eder. İki katın yalıtılması, dendrit birikimini veya kısa devreyi önler, ancak pilin enerji yoğunluğunu en üst seviyeye çıkarmak için yeterince incedir. Teknoloji aynı zamanda az miktarda sıvı elektrolit kullanır, ancak tasarım çoğunlukla maksimum enerji kapasitesi için seramik, katı hal tasarımını kullanır. Bu BN katmanı, lityum iyonlarının bataryayı şarj etmek ve deşarj etmek için geçmesine izin veren yerleşik kusurlarla tasarlanmıştır.

Özetle, ekip dendritlerin oluşmasını önleyen çok ince bir bariyer yarattı. Bu da, geleneksel lityum-iyon bataryalardan daha fazla kapasite sunan çok küçük seramik elektrolitlerin kullanılmasını sağlar, yangın tehlikesini azaltır ve pil ömrünü uzatır. Araştırmanın bir sonraki aşaması daha geniş bir dengesiz katı elektrolit ürün yelpazesini araştıracak ve üretim için optimizasyonlar yapmak.

Sıvıya Karşı Katı Hal batarya Teknolojisi

Columbia Üniversitesi Mühendislik ekibi, şehirdeki katı hal batarya teknolojisi için tek şey. LiPON, LGPS ve LLZO malzeme tabanlı tasarımları, günümüzün Li-ion pillerini değiştirmek için araştırmalar yapmaktadır. Çoğu, daha yüksek pil kapasitesi, daha uzun kullanım ömrü ve daha düşük yangın riski içeren benzer hedefleri hedefliyor. Bir sonraki önemli engel, bu pil tasarımlarını laboratuvardan çıkarmak ve üretim tesislerine ve ürünlerine getirmek.

Tüketici perspektifinden bakıldığında, kararlı katı hal pil teknolojisinin temel faydaları şunlardır: altı kata kadar daha hızlı şarj, enerji yoğunluğunun 2 ila 10 katı, 10 yıla kadar daha uzun çevrim ömrü (ikiye kıyasla) ve Yanıcı bileşenler Bu kesinlikle akıllı telefonlar ve tüketici elektroniği cihazları için bir nimet. Ne kadar çabuk gelirse o kadar iyi.

 

Kaynak: https://www.androidauthority.com/solid-state-battery-978899/