Çip üretim teknolojisi bataryalara uyarlandı
Elektrikli araçların menzilini artırmanın yollarından biri, bataryaların ağırlığını ve hacmini büyütmeden daha fazla enerji depolayabilmek. Güney Kore'deki araştırmacılar bu hedef doğrultusunda, yarı iletken sektöründe kullanılan hassas nano üretim tekniklerini anotsuz bataryalara uyarladı.
Kore İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (KAIST) öncülüğündeki ekip, lityumun bakır yüzey üzerinde daha kontrollü ve eşit biçimde birikmesini sağlayan yeni bir yapı geliştirdi.
Anotsuz bataryalarda önemli sorun çözülmeye çalışılıyor
Anotsuz bataryalarda, normalde lityumu depolayan grafit gibi anot malzemeleri kullanılmıyor. Bunun yerine şarj sırasında lityum doğrudan ince bakır folyonun üzerinde birikiyor.
Ancak tekrarlanan şarj ve deşarj döngüleri sırasında lityumun düzensiz şekilde büyümesi, dendrit adı verilen keskin yapılar oluşturabiliyor. Bu durum bataryanın performansını düşürürken kullanım ömrünü de kısaltabiliyor.
MXene ile ultra ince koruyucu tabaka oluşturuldu
Araştırmacılar, bakır folyoyu yaklaşık 10 nanometre kalınlığında MXene adı verilen iki boyutlu bir malzemeyle kapladı. MXene, doğrudan kalın bir koruyucu film oluşturmak yerine batarya çalışırken daha kararlı bir koruyucu tabakanın oluşmasını sağlayan bir ara yüz görevi görüyor.
Araştırmaya göre bu yapı, elektrolitte bulunan bileşenlerin lityum florür açısından zengin bir koruyucu tabaka oluşturmasını teşvik ediyor. Böylece lityum ile elektrolit arasındaki istenmeyen reaksiyonların ve dendrit oluşumunun azaltılması hedefleniyor.
Mikroskobik tüpler lityumun yayılmasını sağlıyor
Ekip, lityumun bakır yüzeydeki dağılımını kontrol etmek için yarı iletken üretiminde kullanılan ikincil püskürtme litografisi yönteminden yararlandı.
Bu yöntemle bakır yüzey üzerinde yaklaşık 300 nanometre çapında ve 150 nanometre yüksekliğinde mikroskobik tüpler oluşturuldu. Bu yapılar sayesinde elektrotun kullanılabilir yüzey alanı düz bakır folyoya kıyasla yaklaşık dört kat artırıldı.
Daha geniş yüzey alanı, lityumun belirli noktalarda yoğunlaşıp sivri dendritler oluşturmak yerine daha geniş bir alana yayılmasına yardımcı oldu.
Koruma mekanizması gelişmiş analizlerle incelendi
Araştırmacılar, geliştirilen elektrotların yüzeyini ve kesitlerini farklı analiz yöntemleriyle inceledi. XPS, ToF-SIMS ve TEM gibi tekniklerle yapılan incelemelerde, MXene yüzeyinde nano ölçekte koruyucu tabakanın düzenli biçimde oluştuğu belirlendi.
Bu analizler, koruyucu tabakanın nasıl oluştuğuna ilişkin mekanizmanın da anlaşılmasına katkı sağladı.
Hedef daha hafif ve uzun ömürlü bataryalar
Batarya ömrünü artırmak için daha fazla lityum eklemek veya kalın koruyucu tabakalar kullanmak, anotsuz bataryaların ağırlık ve hacim avantajını azaltabiliyor. Yeni yöntemin ise çok az ek malzeme kullanarak lityum birikimini kontrol etmeyi amaçladığı belirtiliyor.
Araştırmacılar, yöntemin geliştirilmesi halinde yüksek enerji yoğunluğuna sahip anotsuz bataryaların ticarileştirilmesine katkı sağlayabileceğini ve elektrikli araçlarda daha küçük, hafif ve uzun ömürlü bataryaların kullanılmasının önünü açabileceğini değerlendiriyor.
