ABD Enerji Bakanlığı’na bağlı Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nda (ORNL) araştırmacı olan Gabriel Veith, evde yaptığı eğlenceli bir deneyle pil güvenliğinde çığır açan bir buluşa imza attı. ORNL’deki bilim insanları, lityum iyon pillere güç veren karmaşık kimyayı ve malzemeleri uzun zamandır araştırıyor.
Darbeye dayanıklı piller için yeni katkı maddesi
Bu pillerin içinde, elektriğin aktığı elektrotları ayıran ince bir plastik tabaka bulunur. Bu tabaka hasar görürse, elektrotlar birbirine değebilir ve sıvı elektrolit tutuşarak pilin alev almasına neden olabilir.
Veith, çocuklarıyla mısır nişastası ve su karışımı olan oobleck ile oynarken ilham aldı. Bu karışım, basınç uygulanana kadar sıvı gibi davranıyor, ardından katılaşıp tekrar sıvı hale dönüyor. Veith, kesme kalınlaşması olarak bilinen bu geri dönüşümlü özelliğin, darbe altında anında sertleşen ve lityum iyon pillerde yangın riskini önemli ölçüde azaltan koruyucu bir katkı maddesi oluşturmak için kullanılabileceğini fark etti.
Oobleck’in davranışından ilham alan Gabriel Veith ve ekibi, elektrolitlere darbeye dayanıklı bir malzeme ekleyerek lityum iyon pilleri daha güvenli hale getirmeyi amaçladı. Bu katkı maddesi, pile çarptığında anında sertleşerek, pil düşürülürse veya hasar görürse elektrotların birbirine temas etmesini engelliyor.
Elektrotlar birbirinden ayrı kaldığında pil alev almaz. Ayrıca, katkı maddesi mevcut pil üretiminde minimum değişiklikle entegre edilebilir. Güvenlik etkisi, bir koloitten, yani küçük katı parçacıkların bir sıvı içinde süspansiyonundan kaynaklanır. Veith’in ekibi, piller için standart elektrolitlerde asılı silika parçacıkları kullandı. Çarpma anında parçacıklar birbirine yapışarak sıvı ve iyon akışını engeller. Araştırmacılar, bu etkiyi elde etmek için sadece 200 nanometre genişliğinde, esasen süper ince kum olan mükemmel küresel silika parçacıkları kullandılar.
Veith’in açıkladığı gibi, silika parçacıklarının tekdüze boyutu çok önemlidir: Parçacıklar tutarlı olduğunda, elektrolit içinde eşit şekilde dağılırlar ve katkı maddesinin darbe anında etkili bir şekilde katılaşmasını sağlarlar. Parçacıkların boyutları değişirse, sıvı çok akışkan kalır ve koruyucu etki kaybolur.
Malzemenin stres altında nasıl davrandığını anlamak için ekip, ORNL’nin Spallation Nötron Kaynağı’ndaki nötron saçılımını kullandı. Bu çığır açan buluş, reologlar, seramikçiler, elektrokimyacılar, mekanik uzmanları ve malzeme test uzmanlarından oluşan, çeşitli ve çok disiplinli bir ekibin çabalarına dayanıyordu. Bu ekibin ortak uzmanlığı, bu benzersiz darbeye dayanıklı pil teknolojisinin tasarlanıp test edilmesini mümkün kıldı.
