09 Haz 2020 (Nanowerk Haberleri) Nanometre ölçeğindeki antimon kristallerinin beklenmedik bir özelliği (içi boş yapıların kendiliğinden oluşması), pil ömrünü kısaltmadan yeni nesil lityum iyon pillere daha yüksek enerji yoğunluğu kazandırmaya yardımcı olabilir. Tersine çevrilebilir şekilde oyuklaşan yapılar, lityum iyon pillerin daha fazla enerji tutmasına ve dolayısıyla şarjlar arasında daha fazla güç sağlamasına olanak tanıyabilir. Lityum iyonlarının alaşımlı pil anotlarının içine ve dışına akışı, geleneksel malzemeler kullanılarak pillerin ne kadar enerji tutabileceği konusunda uzun süredir sınırlayıcı bir faktör olmuştur. Çok fazla iyon akışı, anot malzemelerinin şişmesine ve ardından şarj-deşarj döngüleri sırasında büzülmesine neden olarak pil ömrünü kısaltan mekanik bozulmaya neden olur. Bu sorunu çözmek için araştırmacılar daha önce iyon akışının neden olduğu hacim değişikliğine uyum sağlayan içi boş "yumurta sarısı kabuğu" nanopartikülleri geliştirdiler, ancak bunların üretilmesi karmaşık ve maliyetliydi. Artık bir araştırma ekibi, insan saçının genişliğinden bin kat daha küçük parçacıkların, boyut değiştirmeden şarj-deşarj döngüsü sırasında kendiliğinden içi boş yapılar oluşturduğunu ve anotlara zarar vermeden daha fazla iyon akışına izin verdiğini keşfetti.
Bir elektron mikroskobu görüntüsü, pillerde kullanılmak üzere nano ölçekli içi boş elektrotların kendiliğinden oluşumunu incelemek için kullanılan antimon nanopartiküllerini göstermektedir. (Resim: Matthew Boebinger, Georgia Tech) Araştırma dergide bildirildi Doğa Nanoteknolojisi (“Kararlı pil döngüsü için alaşım anot nanokristallerinin kendiliğinden ve geri dönüşümlü olarak oyulması”).
George W. Woodruff Makine Mühendisliği Okulu ve Georgia Teknoloji Enstitüsü'ndeki Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Okulu. "Sorun, bu içi boş nanoyapıları ticari uygulamalar için gereken büyük ölçeklerde doğrudan sentezlemenin zorlu ve pahalı olmasıydı. Keşfimiz, kasıtlı olarak tasarlanmış içi boş yapılara benzer şekilde performansın artmasına yol açabilecek daha kolay ve akıcı bir süreç sunabilir." Araştırmacılar keşiflerini, nano ölçekte meydana gelen pil reaksiyonlarını doğrudan görselleştirmelerine olanak tanıyan yüksek çözünürlüklü bir elektron mikroskobu kullanarak yaptılar. McDowell, "Bu zor bir deney, ancak sabırlı olursanız ve deneyleri doğru yaparsanız, malzemelerin pillerde nasıl davrandığı hakkında gerçekten önemli şeyler öğrenebilirsiniz" dedi.
ETH Zürich ve Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndan araştırmacıları da içeren ekip, lityumun pilden çıkarılması sırasında nanopartiküllerin neden kendiliğinden büzülmek yerine oyuk olduğunu anlamak için teorik bir çerçeve oluşturmak amacıyla modellemeyi de kullandı.
Pil döngüsü sırasında içi boş parçacıkları oluşturma ve geri dönüşümlü olarak doldurma yeteneği, yalnızca çapı yaklaşık 30 nanometreden küçük olan oksit kaplı antimon nanokristallerinde meydana gelir. Araştırma ekibi, davranışın, lityumlaşma (iyonların anoda akışı) sırasında ilk genişlemeye izin veren esnek bir doğal oksit tabakasından kaynaklandığını, ancak antimonun, iyonların uzaklaştırılması sırasında boşluklar oluşturması nedeniyle büzülmeyi mekanik olarak önlediğini buldu; bu işlem, delitiasyon olarak bilinir.
Bulgu biraz şaşırtıcıydı çünkü ilgili malzemeler üzerinde daha önce içi boş yapılar oluşturmak yerine genişleyen ve küçülen daha büyük parçacıklar üzerinde çalışmalar yapılmıştı. McDowell, "Ayırt edici oyuk davranışını ilk gözlemlediğimizde çok heyecan vericiydi ve bunun pil performansı üzerinde önemli etkileri olabileceğini hemen anladık" dedi.
Antimon nispeten pahalıdır ve şu anda ticari akü elektrotlarında kullanılmamaktadır. Ancak McDowell, kendiliğinden oluşan oyukların kalay gibi daha az maliyetli malzemelerde de meydana gelebileceğine inanıyor. Sonraki adımlar, diğer malzemeleri test etmeyi ve ticari ölçek büyütmeye giden yolun haritasını çıkarmayı içerecektir.
"Benzer bir oyuk mekanizmasına göre dönüşüp dönüşmediklerini görmek için diğer malzemeleri test etmek ilginç olurdu" dedi. "Bu, pillerde kullanılabilecek malzeme yelpazesini genişletebilir. Ürettiğimiz küçük test pilleri umut verici bir şarj-deşarj performansı gösterdi, bu nedenle malzemeleri daha büyük pillerde değerlendirmek istiyoruz.” Pahalı olabilmelerine rağmen, kendi kendine delik açan antimon nanokristallerinin başka ilginç bir özelliği daha var: Bunlar aynı zamanda çok daha fazla araştırma yapılması gereken yeni ortaya çıkan sistemler olan sodyum iyon ve potasyum iyon pillerinde de kullanılabilirler.
McDowell, "Bu çalışma, bu tür malzemelerin pillerin içinde nasıl geliştiğine dair anlayışımızı geliştiriyor" dedi.