Katı hal pillerinin birçok avantajı vardır: daha fazla enerji depolayabilirler ve sıvı elektrolitli pillerden daha güvenlidirler. Ancak, daha uzun ömürlü değildirler ve kapasiteleri her şarj döngüsünde azalır. Araştırmacılar, bu sorunların üstesinden gelmek için çalışmalara devam ediyor. ACS Energy Letters dergisinde, HZB ve Justus-Liebig-Universität, Giessen’den bir ekip, BESSY II’de fotoelektron spektroskopisi kullanarak katı hal pilinin çalışması sırasında elektrokimyasal reaksiyonları hassas bir şekilde izlemek için yeni bir yöntem sundu. Bu yöntem, pil malzemelerini ve tasarımını iyileştirmeye yardımcı oluyor.
Katı Hal Pillerinin Avantajları ve Zorlukları
Katı hal piller, şarj ve deşarj sırasında lityumun taşınmasını sağlayan sıvı elektrolit yerine pil elektrotları arasında katı iyon iletkeni kullanır. Bu, çalışma sırasında artan güvenlik ve genellikle daha yüksek kapasite gibi avantajlara sahiptir. Ancak katı hal pillerin ömrü hala çok sınırlıdır. Bunun nedeni, elektrolit ve elektrot arasındaki arayüzlerde ayrışma ürünleri ve ara fazlar oluşmasıdır, bu da lityum iyonlarının taşınmasını engeller ve aktif lityumun tüketilmesine yol açar, böylece pillerin kapasitesi her şarj döngüsünde azalır.
- Avantajlar:
- Daha fazla enerji depolayabilirler.
- Sıvı elektrolitli pillerden daha güvenlidirler.
- Zorluklar:
- Uzun ömürlü değiller.
- Kapasiteleri her şarj döngüsünde azalır.
Araştırmanın Amacı ve Yöntemleri
HZB araştırmacıları, Dr. Elmar Kataev ve Prof. Marcus Bär liderliğindeki ekip, BESSY II’deki Berlin Enerji Malzemeleri Yerinde Laboratuvarı’nın (EMIL) analitik yeteneklerini kullanarak sert X-ışını fotoelektron spektroskopisi (HAXPES) yöntemiyle katı hal pillerindeki elektrokimyasal reaksiyonları analiz etti.
Bu yöntemde, X-ışınları numuneye çarparak atomları uyarır ve yayılan fotoelektronlar aracılığıyla reaksiyon ürünleri belirlenir. Araştırma, yüksek iyonik iletkenliğe sahip Li6PS5Cl katı elektrolit malzemesinin, 30 atom katmanı (6 nanometre) kalınlığında nikel tabakasıyla çalışma elektrodu ve karşıt elektrot olarak lityum filmi kullanılarak gerçekleştirildi. Bulgular, elektrot-elektrolit arayüzündeki ayrışma reaksiyonlarının kısmen geri döndürülebilir olduğunu ve bu reaksiyonların pilin kapasitesini her şarj döngüsünde azalttığını gösterdi.
- Araştırma Amacı:
- Katı hal pillerindeki elektrokimyasal reaksiyonların incelenmesi.
- Pil ömrünü kısaltan nedenlerin belirlenmesi.
- Yöntem:
- HZB araştırmacıları, BESSY II’deki Berlin Enerji Malzemeleri Yerinde Laboratuvarı’nın analitik yeteneklerinden yararlandı.
- Sert X-ışını fotoelektron spektroskopisi (HAXPES) kullanıldı.
İncelenen Malzeme ve Bulgular
- Malzeme:
- Li6PS5Cl (katı elektrolit).
- Justus Liebig Üniversitesi Giessen’den pil uzmanlarıyla iş birliği yapıldı.
- Bulgular:
- Ayrışma reaksiyonlarının sadece kısmen geri döndürülebilir olduğunu gösterdi.
Gelecek Araştırmalar ve Uygulamalar
- Araştırma Yöntemleri:
- Yüzey karakterizasyon yöntemleri kullanılarak elektrokimyasal reaksiyonların incelenmesi.
- Hedefler:
- Farklı pil malzemelerinin incelenmesi.
- Kompozit polimer elektrolitler ve çeşitli anot ve katot malzemeleri içeren pillerin araştırılması.
