Şarj edildikçe güçlenen yeni nesil batarya teknolojisi geliştirildi

Elektrikli araçlarda daha düşük maliyetle yüksek enerji depolayabilecek bataryalar geliştirmek için çalışan Güney Koreli araştırmacılar, lityum ve manganez açısından zengin katmanlı oksit (LMRO) katotlarda kapasite kaybına yol açan yapısal değişimi avantaja dönüştürdü. Pohang Bilim ve Teknoloji Üniversitesi (POSTECH) Batarya Mühendisliği ile Malzeme Bilimi bölümlerinden Prof.

Jihyun Hong ve Prof. Kyu-Young Park liderliğindeki ekip, oksijen kaybının kontrollü biçimde yönetilmesiyle lityum iyonları için yeni iletim yolları açılabildiğini ve kullanılabilir depolama kapasitesinin artırılabildiğini belirledi.

20 KAT DAHA FAZLA ENERJİ Çin merkezli lityum demir fosfat (LFP) bataryaların maliyet avantajına karşı alternatifler arasında gösterilen LMRO katotlar, pahalı nikel ve kobalta bağımlılığı azaltırken geleneksel nikel bazlı hücrelere göre yaklaşık yüzde 20 daha fazla enerji depolayabiliyor. Ancak tekrarlanan şarj-deşarj işlemleri sırasında kapasite ve voltajın kademeli olarak düşmesi, bu malzemelerin ticarileşmesini zorlaştırıyor.

POSTECH ekibi, yaklaşık yirmi yıldır üzerinde çalışılan bu bozulma mekanizmasını atomik ölçekte inceleyerek yeni bir tasarım yaklaşımı ortaya koydu. OKSİJEN KAYBI YENİ İLETİM YOLLARI AÇTI Araştırmacılar, yüzlerce şarj-deşarj döngüsü boyunca katottaki lityum ve geçiş metali atomlarının düzenli katman yapısını nasıl kaybettiğini izledi.

Şarj voltajı yükseldikçe kristal kafesi kararlı tutan oksijen atomlarının malzemeden kademeli olarak ayrıldığı saptandı. Oksijen kaybı, lityum ve geçiş metali atomlarının yer değiştirmesine neden olarak düzenli katmanları ‘düzensiz kaya tuzu’ (rocksalt) fazına dönüştürdü.

Genellikle bataryanın bozulmasıyla ilişkilendirilen bu süreçte, oksijen boşluklarının birikmesi farklı bir sonuç doğurdu. Lityum iyonlarının hareket edebileceği yeni mikroskobik yollar oluşurken, malzemenin kullanılabilir depolama kapasitesi arttı.

200’Ü AŞKIN DÖNGÜDE YÜZDE 98,4 KORUMA Ekip, deneysel yöntemde şarj voltajını ve şarj derinliğini ayarlayarak malzemeden ayrılan oksijen miktarını kontrol altına aldı. Böylece yapısal dönüşümün ilerleyişi yönetildi ve katot malzemesi, 200’den fazla tam şarj-deşarj döngüsünün ardından başlangıçtaki yüksek performansının yüzde 98,4’ünü korudu.

Elde edilen sonuçlar, batarya kimyasında istenmeyen bir yaşlanma belirtisi olarak görülen yapısal düzensizliğin, uygun elektrokimyasal koşullarda yararlı hale getirilebileceğini gösterdi. Araştırmacılar, bu dönüşümün batarya ömrünü ve enerji yoğunluğunu geliştirmeye yönelik bir mühendislik aracı olarak kullanılabileceğini belirtiyor.

ELEKTRİKLİ ARAÇLAR İÇİN TASARIM YAKLAŞIMI Hesaplamalı malzeme bilimi ve ileri karakterizasyon tekniklerini birleştiren çalışma, otomotiv sektöründe ölçeklenebilir üretime yönelik tasarım ilkeleri sunuyor. Araştırma ekibine göre çalışma sıcaklığı, yüzey kimyası ve şarj voltajı sınırlarının uygun biçimde ayarlanması, yeni nesil LMRO bataryaların kullanım ömrünü uzatabilir.

Oksijen kaybının düzenlenmesiyle binek otomobillerden ağır ticari elektrikli araçlara kadar farklı ihtiyaçlara göre batarya hücreleri tasarlanabileceği ifade ediliyor. Araştırmacılar, bu yaklaşımın nikel ve kobalt içermeyen, yüksek enerji depolama kapasitesine sahip hücrelerin geliştirilmesine katkı sağlayabileceğini vurguluyor.