Anotsuz katı hal batarya 235,13 Wh/L'ye ulaştı

Anotsuz katı hal batarya alanında Güney Koreli araştırmacılar yeni bir prototip geliştirdi. Üstelik Dongguk Üniversitesi ekibinin hücresi, 100. çevrimde 235,13 Wh/L hacimsel enerji yoğunluğu verdi. Ayrıca tasarım, üretimde klasik lityum metal anot ihtiyacını ortadan kaldırmayı hedefliyor.

Anotsuz katı hal batarya neden önemli?

Katı hal bataryalar daha yüksek güvenlik, enerji yoğunluğu ve potansiyel olarak daha uzun ömür vaat ediyor. Ancak enerji depolama sistemlerinde henüz yaygın değiller. Çünkü olası faydalar, yüksek maliyeti, üretim zorluklarını ve sınırlı ticari deneyimi henüz aşmış değil. Üstelik şebeke ölçekli depolamanın öncelikleri, elektrikli araçlardan farklı.

Bu sistemlerde uygun fiyat, çevrim ömrü, güvenilirlik, güvenlik ve finanse edilebilirlik, enerji yoğunluğundan daha önemli. Bu nedenle yerleşik lityum demir fosfat (LFP) bataryaların yerini almak zor. Ayrıca katı hal bataryalarda çalışma sırasında lityum düzensiz birikiyor ve çözünüyor.

Bu düzensizlik arayüzde kararsızlığa, boşluk oluşumuna ve lityum filament büyümesine yol açabiliyor. Dolayısıyla bozulma hızlanıyor ve iç kısa devre riski artıyor. Ayrıca sabit depolama için gereken uzun vadeli güvenilirlik zarar görüyor.

Kalay ve karbon ara katmanı nasıl çalışıyor?

Ekibin anotsuz katı hal batarya tasarımında, katottaki lityum ilk şarj sırasında çıplak bir akım toplayıcının üzerine birikiyor. Böylece anot yerinde oluşuyor. Anot, bataryanın negatif elektrodudur. Ayrıca bu yapı hacimsel enerji yoğunluğunu artırıyor ve özellikle ince film bataryalarda üretimi basitleştiriyor.

Ancak bu mimarinin zayıf bir yanı var. Lityum kaybının nedenleri düzensiz birikme, yalıtılmış “ölü” lityum ve çözünme sırasında katı elektrolitle temasın kopması. Bu yüzden batarya kararlılığı ve kapasitesi zarar görüyor.

Çözüm olarak bakır akım toplayıcının üzerine ultra ince kalay (Sn) ve karbon (C) katmanları kaplandı. Araştırmacılar önce birkaç metal, karbon ve hibrit kaplamayı değerlendirdi. Ardından en etkili yapının Sn/C olduğunu belirledi. Deneylere göre bu birleşim, lityum birikimini daha iyi kontrol etti.

Başyazar Hyun-Suk Kim'e göre ara katman, lityum çekirdeklenmesi için tohum görevi görüyor. Böylece lityum eşit biçimde birikiyor ve kayıp azalıyor. İki malzemenin rolü ise farklı. Kalay, birikmeyi başlatmak için gereken enerjiyi düşürüyor. Karbon ise lityumu daha eşit dağıtıyor.

Prototipin performansı ve kullanım alanları

Ekip ayrıca çevrimden önce kaplı akım toplayıcıya az miktarda metalik lityum ekledi. “Ön lityumlama” denen bu adım, ilk çalışma döneminde yaşanan geri dönüşsüz kayıpları telafi edecek bir lityum rezervi oluşturuyor. Böylece anotsuz tasarımların temel bir sınırlaması ele alınıyor.

Bu anotsuz katı hal batarya prototipinde, değiştirilmiş akım toplayıcı (Cu@Sn/C) lityum vanadyum oksit (LVO) katot ve lityum fosfor oksinitrür (LiPON) katı elektrolitle birleştirildi. Aynı zamanda hücre yalnızca 2,77 mikrometre kalınlığında. Bildirilen 0,01 C çevrim hızında, 100. çevrimde 235,13 Wh/L hacimsel enerji yoğunluğu elde edildi.

Mikroskop analizi de kararlılığa dair ipucu verdi. İlk lityum birikimi sırasında ara katmanda kalay ve lityum-kalay alaşımı içeren üç boyutlu bir yapı gelişti. Bu yapı, sonraki çevrimlerdeki fiziksel değişimlere uyum sağladı. Dolayısıyla arayüzdeki bozulma azaldı.

Kim, arayüz mühendisliği ile lityum envanteri yönetiminin anotsuz ince film bataryaları iyileştirebildiğini söylüyor. Ona göre yaklaşım giyilebilir elektronik, IoT sensörleri ve tıbbi cihazlar için ultra ince bataryaları destekleyebilir. Aynı zamanda endüstriyel ölçekte güç sağlayacak, ölçeklenebilir anotsuz tam katı hal bataryalara da yol açabilir.

Anotsuz katı hal batarya çalışması Advanced Energy Materials dergisinde yayımlandı. Makalenin adı “Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode”.