Adana Adıyaman Afyon Ağrı Aksaray Amasya Ankara Antalya Ardahan Artvin Aydın Balıkesir Bartın Batman Bayburt Bilecik Bingöl Bitlis Bolu Burdur Bursa Çanakkale Çankırı Çorum Denizli Diyarbakır Düzce Edirne Elazığ Erzincan Erzurum Eskişehir Gaziantep Giresun Gümüşhane Hakkari Hatay Iğdır Isparta İstanbul İzmir K.Maraş Karabük Karaman Kars Kastamonu Kayseri Kırıkkale Kırklareli Kırşehir Kilis Kocaeli Konya Kütahya Malatya Manisa Mardin Mersin Muğla Muş Nevşehir Niğde Ordu Osmaniye Rize Sakarya Samsun Siirt Sinop Sivas Şanlıurfa Şırnak Tekirdağ Tokat Trabzon Tunceli Uşak Van Yalova Yozgat Zonguldak
İstanbul 26 °C
Gök Gürültülü

Eşsiz Nanoyapı, Akü Anotları için Silikon Kullanımında Sıçrama Sağladı

03.05.2020
106
Eşsiz Nanoyapı, Akü Anotları için Silikon Kullanımında Sıçrama Sağladı

Silikon mikroküreler, kürelerin iplik toplarına benzemesini sağlayan karbon nanotüplerin eklenmesi nedeniyle olağanüstü mekanik mukavemete sahiptir. Bu gösterimde, soldaki görüntü, bir mikrokürenin, karbon nanotüpler üzerine biriktirilmiş silikon nano parçacıklardan yapılmış bir bölümünün bir yakın çekimini göstermektedir. Kredi bilgileri: Michael Perkins / PNNL

Yeni nanoyapı tasarımı, umut verici bir depolama bileşenine olağanüstü bir güç katıyor.

Bir kalemin ucunda bulacağınız aynı malzeme – grafit, günümüzün lityum iyon pillerinde uzun süredir anahtar bir bileşen olmuştur. Bununla birlikte, bu pillere olan güvenimiz arttıkça, grafit bazlı elektrotların yükseltilmesi gerekiyor. Bunun için bilim adamları dijital devrimin kalbindeki öğeyi arıyorlar: silikon.

ABD Enerji Bakanlığı Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı bilim adamları, bu umut verici ama sorunlu enerji depolama bileşenini kullanmanın yeni bir yolunu bulmuşlardır. Bilgisayar çiplerinde ve diğer birçok üründe kullanılan silikon caziptir, çünkü grafite kıyasla gram başına elektrik yükünün 10 katını tutabilir. Sorun şu ki, silikon lityum ile karşılaştığında büyük ölçüde genişliyor ve elektrot üretiminin basıncına dayanamayacak kadar zayıf.

Bu sorunları çözmek için PNNL araştırmacıları Ji-Guang (Jason) Zhang ve Xiaolin Li liderliğindeki bir ekip, karbonu güçlendirirken silikonun genişlemesini sınırlayan eşsiz bir nanoyapı geliştirdiler. Nature Communications dergisinde yakın zamanda yayınlanan çalışmaları, diğer pil türleri için yeni elektrot malzeme tasarımlarını bilgilendirebilir ve sonunda elektrikli otomobillerde, elektronik cihazlarda ve diğer ekipmanlarda lityum iyon pillerin enerji kapasitesinin artırılmasına yardımcı olabilir.

Eksileri silikondan çıkarma

İletken ve kararlı bir karbon formu olan grafit, şarj olurken lityum iyonlarını bir pilin anoduna paketlemek için çok uygundur. Silikon grafitten daha fazla lityum alabilir, ancak hacim olarak yaklaşık yüzde 300 oranında balonlaşma eğilimindedir ve anodun parçalanmasına neden olur. Araştırmacılar, yaklaşık 8 mikrometre çapında kabaca bir kırmızı kan hücresinin büyüklüğü olan küçük silikon parçacıklarını mikroküreler halinde toplayarak gözenekli bir silikon formu yarattılar.

Zhang, “Taş gibi katı bir malzeme, hacim olarak çok fazla genişlerse kırılacak,” dedi. “Oluşturduğumuz şey, genişlemeyi emmek için içeride yer olan daha süngerimsi.”

Gözenekli silikon yapılı elektrot, yüzde 20’den daha az kalınlıkta bir değişiklik sergilerken, tipik bir grafit anodun iki katı yükünü barındırıyor. Bununla birlikte, önceki gözenekli silikon versiyonlarından farklı olarak, küreleri iplik toplarına benzeyen karbon nanotüpler sayesinde mikroküreler de olağanüstü mekanik güç sergiledi.

Süper güçlü mikroküreler

Araştırmacılar, karbon nanotüpleri silikon oksit ile kaplayarak başlayarak birkaç adımda yapıyı oluşturdular. Daha sonra nanotüpler bir yağ ve su emülsiyonuna konuldu. Sonra kaynama noktasına ısıtıldı.

Li, “Kaplanmış karbon nanotüpler su buharlaştığında kürelere yoğunlaşıyor,” dedi. “Sonra silikon oksidi silikona dönüştürmek için alüminyum ve daha yüksek ısı kullandık, ardından yan ürünleri uzaklaştırmak için suya ve aside daldırdık.” İşlemden ortaya çıkan, karbon nanotüplerin yüzeyindeki küçük silikon parçacıklarından oluşan bir tozdur.

Gözenekli silikon kürelerin mukavemeti, bir atomik kuvvet mikroskobu probu kullanılarak test edildi. Yazarlar, nanosize iplik toplarından birinin “çok yüksek sıkıştırma kuvveti altında hafifçe verebileceğini ve bir miktar gözenekliliği kaybedebileceğini, ancak kırılmayacağını” bulmuşlardır.

Anot malzemelerin imalat sırasında silindirlerde yüksek sıkıştırmayı kaldırabilmesi gerektiğinden, bu ticarileştirme için iyi bir şekilde artar. Bir sonraki adım, Zhang’ın silikon mikroküreleri yapmak için bir gün yeni nesil yüksek performanslı lityum-iyon pillere girebilmeleri için daha ölçeklenebilir ve ekonomik yöntemler geliştirmek olduğunu söyledi.


Kaynak: Haiping Jia, Xiaolin Li, Junhua Song, Xin Zhang, Langli Luo, Yang He, Binsong Li, Yun Cai, Shenyang Hu, Xingcheng tarafından “Yüksek performanslı lityum iyon pil anotları olarak olağanüstü mekanik mukavemete sahip hiyerarşik gözenekli silikon yapılar” Xiao, Chongmin Wang, Kevin M. Rosso, Ran Yi, Rajankumar Patel ve Ji-Guang Zhang, 19 Mart 2020, Nature Communications.

Çalışma ayrıca yazarlar Haiping Jia, Junhua Song, Xin Zhang, Langli Luo, Yang He, Binsong Li, Yun Cai, Shenyang Hu, Chongmin Wang, Kevin M. Rosso, Ran Yi, Rajankumar Patel, tüm PNNL ve Xingchen Xiao General Motors Araştırma ve Geliştirme Merkezi. Araştırma, Enerji Bölümü Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Dairesi Taşıt Teknolojileri Ofisi tarafından desteklenmiştir. Mikroskobik ve spektroskopik ölçümler, PNNL’de bir DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olan Çevre Moleküler Bilimler Laboratuvarı EMSL’de yapıldı.

ZİYARETÇİ YORUMLARI - 0 YORUM

Henüz yorum yapılmamış.