HABERLER

Lityum titanat nanoflower'lar (Brookhaven Ulusal Laboratuvarı)

Lityum pillerin çalışma prensibi, şarj sırasında lityum iyonlarının pozitif elektrot (katot) ve negatif elektrot (anot) arasında hareket etmesi; deşarj sırasında ise lityum iyonlarının ters yönde hareket etmesidir. Günümüzde akıllı telefonlarda, dizüstü bilgisayarlarda ve elektrikli araçlarda kullanılan lityum piller genellikle grafit anot kullanır. Şarj sırasında lityum iyonları grafit anoda yerleştirilir; pil kullanılırken ise lityum iyonları pilden uzaklaştırılır.

Grafit yüzlerce hatta binlerce şarj ve deşarj döngüsüne dayanabilse de, enerji yoğun uygulamalar için yeterli kapasiteyi depolayamaz. Örneğin, elektrikli araçların menzili yeterince uzun değildir. Ayrıca, grafit yüksek hızda (güçte) şarj ve deşarj edemez. Bu nedenle, bilim insanları alternatif anot malzemeleri arayışındadır.

Lityum titanat (LTO), lityum, titanyum ve oksijenden oluşan um promising bir anot malzemesidir. Yüksek hızlarda şarj ve deşarj olabilmesinin yanı sıra, LTO aynı zamanda iyi bir döngü stabilitesine ve lityum iyonlarını (büyük kapasiteyle) barındıracak yeterli alana sahiptir. Bununla birlikte, LTO'nun düşük iletkenliği, lityum iyonlarının malzemede yavaş difüzyon hızına yol açabilir.

Yabancı medya raporlarına göre, Stony Brook Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Kimya Mühendisliği Bölümü'nde yarı zamanlı öğretim üyesi ve kimya doçenti olan Amy Marschilok, saf LTO'nun mevcut kapasitesinin orta düzeyde olduğunu ancak elektriği hızlı bir şekilde iletemediğini belirtti. Amy Marschilok ayrıca, ABD Enerji Bakanlığı'na bağlı disiplinlerarası bir bölüm olan Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda Mesoscale Transport Properties Merkezi Müdür Yardımcısı ve Enerji Depolama Bölümü Yöneticisi ve Bilim İnsanı olarak görev yapmaktadır. Ayrıca, yüksek hızlı pil malzemelerinin, elektrikli araçlar, taşınabilir elektrikli aletler ve birkaç dakika içinde hızlı enerji depolama gerektiren acil durum güç sistemleri gibi uygulamalar için çok cazip olduğunu ifade etti.

Marschilok aynı zamanda 2014'ten beri LTO araştırmaları üzerinde iş birliği yapan Brookhaven Ulusal Laboratuvarı Stony Creek ekibinin de bir üyesidir. Ekip, son araştırmalarında bir doping işlemi yoluyla LTO'ya klor ekleyerek kapasitesini 12% artırmıştır.

Shixi Üniversitesi Kimya Bölümü'nde seçkin bir profesör ve öğrenci araştırma ekibinin önemli bir araştırmacısı olan Stanislaus Wong, kontrollü katkılama işlemlerinin malzemelerin elektronik ve yapısal özelliklerini değiştirebileceğini belirtti. Ekibimizde, uygun yapı-özellik ilişkilerinin tasarımına rehberlik etmek için kimyasal bilgiyi kullanmakla ilgileniyoruz. LTO'ya gelince, katkılı atomların eklenmesi iletkenliğini artırabilir, kafesini genişletebilir ve lityum iyon taşıma kanalını genişletebilir. Bilim insanları birçok farklı katkı maddesi türünü test ettiler, ancak kloru çok fazla incelemediler.

Ekip, klorla katkılanmış LTO üretmek için hidrotermal sentez adı verilen bir çözelti yöntemi kullandı. Hidrotermal sentez işlemi sırasında, bilim insanları ilgili öncü maddeyi (istenilen ürünü üretmek için kullanılan reaksiyon malzemesi) içeren bir çözeltiyi suya ekledi, karışımı kapalı bir kaba koydu ve nispeten orta sıcaklık ve basınçta belirli bir süre bekletti. Bu durumda, deney ölçeğini genişletmek için bilim insanları, önceki reaksiyonlarda kullanılan katı titanyum folyo yerine sıvı titanyum öncü maddeleri seçti. Saf LTO ve klorla katkılanmış LTO'nun 36 saatlik hidrotermal sentezinden sonra, bilim insanları gerekli malzemeleri ayırmak için ek kimyasal işlem adımları uyguladı. Ekip ayrıca, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndaki Fonksiyonel Nanomalzemeler Merkezi'nin (CFN) elektron mikroskopi tesisinde taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanarak görüntüleme çalışmaları yürüttü ve her iki numunenin de çiçek şeklinde nanoyapılara sahip olduğunu, bunun da kimyasal işlem sürecinin malzemelerin orijinal yapısına zarar vermediğini gösterdiğini buldu.

Wong, yeni sentez yöntemimizin hızlı, homojen ve verimli reaksiyonları teşvik ederek bu tür 3 boyutlu nanoflowerların büyük ölçekli üretimini mümkün kıldığını belirtti. Bu eşsiz mimari, geniş bir yüzey alanına sahip olup, merkezden dışa doğru yayılan yaprakları sayesinde lityum iyonlarının malzemeye girmesi için birden fazla yol sağlıyor.

Bilim insanları, klor, lityum ve öncü maddelerin konsantrasyonlarını, öncü maddelerin saflığını ve reaksiyon süresini değiştirerek, yüksek kristalli nanomalzemeler oluşturmak için en uygun koşulları buldular. Bilim insanları, optimize edilmiş numuneler kullanarak çeşitli elektrokimyasal testler gerçekleştirdiler ve pilin 30 dakika boyunca yüksek hızda deşarj edildiğinde, klor katkılı LTO'nun büyük bir kullanılabilir kapasiteye sahip olduğunu ve bu performansın 100'den fazla şarj ve deşarj döngüsünden sonra bile korunduğunu tespit ettiler.

Performansın neden iyileştirilebileceğini anlamak için ekip, klor katkısının neden olduğu yapısal ve elektronik değişiklikleri modellemek üzere hesaplamalı teori kullandı. Klor ile katkılanmış LTO'nun en kararlı geometrik yapısını hesaplarken, ekip klorun LTO yapısında oksijenin yerini almayı tercih ettiğini buldu.

Ekip, bir sonraki aşamada 3 boyutlu nanoflowerların şeklinin lityum iyon taşınımını nasıl etkilediğini araştıracak. Ayrıca, lityum iyon taşınımını iyileştirmek için atomik seviyede anot ve katotlar için alternatif malzemeler de araştırıyorlar.