Araştırmacılar, ticari lityum-kükürt pillerin önündeki en büyük engellerden birini ortadan kaldıran moleküler olarak tasarlanmış bir ara katman geliştirdiler. Bu sayede piller, yüksek enerji yoğunluğu sağlarken 1.000 şarj-deşarj döngüsü boyunca kapasitelerini koruyabiliyor.
Yeni grafen arayüzü pil ömrünü 1.000 döngüye uzatacak
Tohoku Üniversitesi ve iş birliği yapan kurumlardaki araştırmacıların liderliğindeki ekip, pilin içindeki lityum polisülfitlerin hareketini engelleyen kovalent organik çerçeve (COF)-grafen arayüzü oluşturdu. Polisülfit mekik etkisi olarak bilinen istenmeyen göç, uzun zamandır lityum-kükürt pillerin ömrünü ve verimliliğini azaltıyordu.
Lityum-kükürt piller, kükürtün bol, ucuz ve çok daha fazla enerji depolayabilme özelliği nedeniyle günümüzün lityum-iyon teknolojisine umut vadeden bir alternatif olarak kabul ediliyor. Bununla birlikte, şarj ve deşarj sırasında oluşan çözünmüş lityum polisülfitler, pilin elektrotları arasında göç ederek yan reaksiyonları tetikleyebilir ve hızlı kapasite kaybına neden olabilir.
Araştırmacılar, fiziksel bir bariyer yerine, polisülfitleri kimyasal olarak yakalayan ve aynı zamanda pilin elektrokimyasal reaksiyonlarına katılmaya devam etmelerine yardımcı olan bir ara katman tasarladılar. TUS-44 adı verilen yeni malzeme, iletken grafen ile birleştirilmiş tetratiyafulvalen-taç eter kovalent organik bir çerçevedir. Birlikte, hem lityum polisülfitleri hapseden hem de elektron taşınımını hızlandıran hafif bir fonksiyonel katman oluştururlar.
COF, imin azotu, taç eter oksijeni ve lityum polisülfitlerle etkileşime giren kükürtçe zengin tetratiyafulvalen bölgeleri içerir. Grafen, şarj transferini iyileştiren ve pil çalışması sırasında kükürt dönüşümünü destekleyen iletken bir yol sağlar. Laboratuvar testlerinde, TUS-44@G ara katmanı ile donatılmış lityum-kükürt piller, 0,2 A g⁻¹’de 1.455,7 mAh g⁻¹’lik tersinir kapasite sağladı ve 10 A g⁻¹’lik yüksek akım yoğunluğunda bile 773 mAh g⁻¹’i korudu. Piller ayrıca, 5 A g⁻¹’de 1.000 döngü boyunca döngü başına sadece %0,034’lük kapasite azalması kaydetti.
