Cep telefonlarından elektrikli arabalara kadar giden bir süreç halinde piller boylu boyunca hayatımıza girdiler. Hatta şu anda kullandığımız birçok teknoloji için piller değişilmez güç kaynakları olarak karşımızda duruyor. En verimli pil teknolojisi olan lityum iyon piller, bu cihazlara enerji sağlamak için kullanılıyor. Ama yapılan yeni çalışmalar, lityum iyon pillere umut verici alternatifler sunuyor.
Proceedings of the National Academy of Sciences’da yayınlanan yeni bir çalışmada potasyum metaline dayanarak geliştirilen bir pil teknolojisinde, dendrit olarak bilinen lityum iyon pillerin kalıcı sorununa bir çözüm sunuldu. Çok daha ucuz ve bol bulunan bir metal olan potasyumun pillerde kullanılması, pil teknolojisinin daha hızlı gelişmesini sağlayabilir.
Piller, temelde iki elektrot içerirler: katot ve anot. Lityum iyon pillerine bakıldığında, katot bölümünde lityum kobalt oksit, anot bölümünde ise grafit bulunur. Pilin şarj edilmesi ve depolanan gücün kullanılmasında, lityum iyonları bu iki elektrot arasında hareket ederler.
Yapılan yeni pil araştırmasında bilim insanları, ilk olarak lityum kobalt oksit yerine potasyum oksiti katotta kullanmayı düşündüler. Potasyum daha büyük ve ağır bir element olduğu için enerji yoğunluğu daha azdır. Bu nedenle katotta potasyum oksidin kullanılması pilin performansını azaltır. Rensselaer Politeknik Enstitüsü’nden araştırmacılar, bunun yerine anot bölümünde yer alan grafitin yerine potasyum metali yerleştirmeyi denediler.
Rensselaer Politeknik Enstitüsü’nde mekanik, havacılık ve nükleer mühendislik profesörü olan Nikhil Koratkar, anotta grafit yerine potasyum kullanılmasının performans açısından geleneksel lityum iyon pillere alternatif olabileceğini açıkladı.
Potasyumdan elde edilen piller büyük ümitler vaat etmekle beraber bir sorun da gösterdiler. Araştırmacılar, pilin deneyleri sırasında anot kısmında dendrit adı verilen metal tortuların biriktiğini fark ettiler. Dendritler, pilin tekrar tekrar şarj edilmesi ve boşaltılması sırasında potasyum metalinin eşit olmayan şekilde birikmesi nedeniyle oluştu. Koratkar, zamanla potasyum metal kümelerinin uzadığını ve neredeyse dal gibi olduğunu açıkladı.
Bu dallar çok uzadıklarında elektrotların birbirine temas etmesini engelleyerek bataryada kısa devre oluşmamasını sağlayan membranı deliyor. Membranın delinmesi, pilin kısa devre yapmasına neden oluyor. Pilde oluşacak kısa devre ise ortaya çıkardığı ısı ile elektrolitin alev almasına neden oluyor.
Proceedings of the National Academy of Sciences’da yayınlanan makalede Nikhil Koratkar ve ekibi bu sorunun nasıl çözüldüğünü açıklıyor. Araştırmacılar, bataryanın nispeten yüksek bir şarj ve deşarj oranında çalıştırarak pilin içerisindeki sıcaklığı kontrollü bir şekilde yükselttiler. Sıcaklığın kontrollü bir şekilde yükseltilmesi, anottaki dendritlerin kendiliğinden iyileşmesine neden oldu.
Pil içerisindeki sıcaklık artışı potasyum metalini eritmezken, yüzey difüzyonunu aktive etmeye yardımcı oluyor. Böylece potasyum iyonları oluşturdukları yığınları yanal olarak hareket ettirerek dendritlerin yumuşamasına neden oluyor.
Koratkar, potasyum metal piline uygulanacak bu çözümün, geceleri veya pil kullanılmadığında dendritlerin iyileşmesine neden olacak ısı oluşturacak özel bir pil yönetim sistemi sayesinde uygulanabileceğini söyledi.
Nikhil Koratkar ve ekibi, daha öncede benzer bir pil iyileştirme yöntemini lityum iyon pilleri için geliştirdiler. Ancak potasyum metal piller, kendi kendini iyileştirme sürecinde lityum iyon pillerinden daha az ısıya ihtiyaç duydular. Koratkar, bunun potasyum metal pillerin, lityum iyon pillerinden daha verimli, daha güvenli ve daha pratik olabileceği anlamına geldiğini söyledi.
