Çin’deki Şanghay Jiao Tong Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, daha yüksek güç yoğunluğuna ve deşarj kapasitesine sahip yeni bir sodyum-kükürt pil tasarlayarak, lityum-iyon pillere daha ucuz ve güvenli bir alternatif sağladılar.
Lityum-iyon piller, şu anda bildiğimiz en yüksek enerji yoğunluğuna sahip çözümler olmaya devam ediyor ve yaygın olarak kullanılıyor. Ancak, termal kaçış ve yangın riskleri, bunların büyük ölçekli uygulamalarda kullanılmasını engellemektedir. Dahası, artan talep lityum fiyatlarını yükselterek enerji depolamayı her geçen gün daha pahalı hale getirmektedir.
Sodyum kükürt pil teknolojisi gelecek vaat ediyor
Araştırmacılar, lityum-iyon pillerin yerini alacak alternatifler arıyorlar. Sodyum oldukça bol miktarda bulunur ve düşük maliyetli bir alternatif olarak hizmet edebilir ve sodyumun çeşitli kombinasyonlarda kullanıldığı küresel olarak birçok araştırma projesinin bir parçasıdır.
Şanghay Jiao Tong Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir pil yapmak için sodyumu kükürt ile birleştirdiler. Bu, sodyum ve kükürtü birleştirmeye yönelik ilk girişim değil. Na-S veya S/Na2S kimyası kullanılarak yapılan piller, büyük miktarda sodyum gerektiriyordu ancak düşük voltaj sağlıyordu. Kükürt ile gerçekleşen redoks reaksiyonu 4 değerlik elektronu üreterek 3,6 V’luk bir voltaj oluşturur, ancak bu reaksiyonu oda sıcaklığında tekrarlamak büyük bir zorluktu.
Araştırmacılara göre, katotta gerçekleşen S/Na2S dönüşüm reaksiyonu, Li-iyon muadillerine göre çok daha düşük olan 1,6 V’tan daha az sınırlı bir deşarj voltajı üretir. Bunu aşmak için, anotta lityum pildekinden 10 kat veya daha fazla olabilen büyük miktarlarda sodyum kullanılmalıdır. Bu, daha ucuz bir malzeme kullanmanın amacını ortadan kaldırır ve ayrıca enerji ve güç yoğunluklarını da etkiler.
Araştırmacılar, S0/S4+ redoks kimyasına geçerek sodyum-kükürt pil bilmecesini çözdüler ve yüksek voltajlı anot içermeyen piller yarattılar. Bu tasarım, bir alüminyum (Al) folyo anot akım toplayıcı, bir S8 katot, yanıcı olmayan kloroalüminat elektrolit içinde sodyum disiyanür (NaDCA) ve bir cam elyafı ile ayrılmış bir yapıdan oluşmaktadır.
Araştırmacılara göre, elektrolitteki disiyanür anyonu, katotta S/SCl4 kimyasının açığa çıkmasına yardımcı olurken, anotta sodyum kaplama/sıyırma işleminin tersine çevrilebilirliğini de iyileştiriyor. Bu tasarımın geliştirilmiş performansı, 1.198 Wh/kg’lık maksimum enerji yoğunluğu, 715 mAh g−1’lik deşarj kapasitesi ve 23.773 W/kg’lık güç yoğunluğunda açıkça görülmektedir.
Araştırmacılar katoda bir Bi-COF katalizörü eklediklerinde, deşarj kapasitesi 1.206 mAh/g’ye, enerji yoğunluğu ise 2.021 Wh/kg’ye yükseldi. kWh başına tahmini 5,03 dolarlık maliyetle, sodyum-kükürt pil, lityum muadillerine göre bir mertebe daha ucuzdur. Elektrolit yanıcı olmadığı için güvenlik doğal olarak artırılmıştır.
Bununla birlikte, pil tasarımının ticari olarak piyasaya sürülebilmesi için araştırmacıların hala üzerinde çalışması gereken birkaç konu daha bulunmaktadır. Elektrolit, yanıcı olmamasına rağmen, oldukça aşındırıcıdır ve kullanımı zordur. Ayrıca, havaya maruz kaldığında yalnızca kısa vadede kararlıdır, uzun vadeli kararlılığı ise şu anda bilinmemektedir. Ancak ekip, bu sorunların çözülebileceğinden ve giyilebilir cihazlardan şebeke ölçekli enerji depolama sistemlerine kadar çeşitli cihazlarda cihaz güvenliğinin iyileştirilmesine yardımcı olacağından emin.
