Lityum iyon piller, elektrikli araçlarda, havacılıkta ve soğuk iklimlerde çalışan enerji sistemlerinde giderek daha fazla kullanıldıkça, sıfırın altındaki koşullar altında performansları kritik bir teknolojik darboğaz haline geldi. Hızlı şarj zaten oda sıcaklığında zorlu iken, düşük sıcaklıklar kinetik sınırlamaları daha da kötüleştirerek grafit anotlarda lityum kaplamayı tetikler ve mevcut kapasiteyi önemli ölçüde azaltıyor.
Li₄Ti₅O₁₂ gibi alternatif anotlar daha iyi güvenlik sunar, ancak düşük teorik kapasiteleri enerji yoğunluğunu ciddi şekilde kısıtlar. Bu anot ikileminin üstesinden gelmek, aşırı ortamlar için tasarlanmış yeni nesil piller için çok önemlidir.
Kristalografik yöntemler lityum pillerde verimliliği artırabilir
Profesörler Yan Zhang ve Shuaifeng Lou liderliğindeki Harbin Teknoloji Enstitüsü’nden bir araştırma ekibi, hedefli çift elementli katkılama yoluyla kristalografik mühendisliğin, titanyum niobate (TiNb₂O₇, TNO) iyon ve elektron taşınımını temelden yeniden şekillendirebileceğini ve −30 °C kadar düşük sıcaklıklarda hızlı şarj ve uzun ömürlü lityum iyon piller sağlayabileceğini göstermiştir.
Nano-Micro Letters’da yayınlanan çalışmaları, laboratuvar malzeme inovasyonu ile gerçek dünya pil uygulaması arasında köprü kurmak için ilgi çekici bir strateji sunuyor. TiNb₂O₇, nispeten yüksek teorik kapasitesi (~387 mAh g⁻¹), lityum kaplamayı bastıran güvenli çalışma voltajı ve sağlam yapısal kararlılığı nedeniyle uzun zamandır umut vadeden bir anot adayı olarak kabul ediliyor. Bununla birlikte, pratik uygulaması iki içsel zayıflıkla sınırlı kalmıştır: zayıf elektronik iletkenlik ve yavaş lityum iyon difüzyonu; bunların her ikisi de düşük sıcaklıklarda çok daha şiddetli hale gelir. Bu kinetik engeller, hız kapasitesini kısıtlar ve hızlı şarj veya soğuk iklim koşullarında kullanılabilir kapasiteyi önemli ölçüde azaltır.
[bkz url= https://www.techinside.com/istek-uzerine-eglence-neden-aninda-erisim-artik-yeni-standart/]
Üretim karmaşıklığı ve yan reaksiyonlar getiren yüzey kaplamalarına veya nano ölçekli küçültmeye güvenmek yerine, araştırmacılar, şarj taşınımını içeriden iyileştirmek için TNO’nun atomik yapısını doğrudan değiştiren kristalografik bir mühendislik yaklaşımı benimsedi.
Ekip, endüstriyel işleme uyumlu tek adımlı katı hal sentez yöntemi kullanarak TNO kafesine yardımcı katkı maddesi olarak antimon (Sb⁵⁺) ve niyobyum (Nb⁵⁺) ekledi. Ticari Sb₂O₃ ve Nb₂O₅, ortam havasında yüksek sıcaklıkta reaksiyona sokularak, tespit edilebilir ikincil fazlar olmaksızın 500 nm ile 2 µm arasında değişen tekdüze çubuk benzeri TNO kristalleri elde edildi.
Mühendislik ürünü yapının sağlamlığını doğrulamak için araştırmacılar, elektrokimyasal döngü sırasında faz evrimini izlemek amacıyla yerinde X-ışını kırınımı kullandılar. Sb/Nb katkılı TNO, geri dönüşümlü katı çözelti → iki fazlı → katı çözelti mekanizmasını izledi ve geri dönüşümsüz faz dönüşümüne dair hiçbir kanıt bulunmadı.
Gelişmiş senkrotron tabanlı üç boyutlu nano-bilgisayarlı tomografi, malzemenin dayanıklılığını daha da doğruladı. −30 °C’de 500 şarj-deşarj döngüsünden sonra bile, çubuk benzeri kristaller çatlaksız kaldı; bu da kristalografik mühendisliğin kazandırdığı mekanik dayanıklılığı vurgulamaktadır.
