BESSY II'de cep boyutunda lityum-kükürt pilleri incelendi

Dresden'deki HZB ve Fraunhofer Malzeme ve Işın Teknolojisi Enstitüsü'nden (IWS) bir ekip, BESSY II'nin BAMline'ındaki lityum-kükürt kese hücreleri hakkında yeni bilgiler elde etti. HZB görüntüleme laboratuvarında yapılan analizler ve diğer ölçümlerle birlikte, endüstriyel açıdan önemli bu pil tipinin performansını ve hizmet ömrünü sınırlayan süreçler hakkında yeni ve aydınlatıcı bir tablo ortaya çıkıyor. Çalışma, saygın "Advanced Energy Materials" dergisinde yayımlandı.

Lityum-kükürt pilleri, geleneksel lityum pillere kıyasla birçok avantaja sahiptir: Hammadde olarak bol miktarda kükürt kullanırlar, kritik elementler olan kobalt veya nikele ihtiyaç duymazlar ve son derece yüksek özgül enerji yoğunluğuna ulaşabilirler. Günümüzde prototip hücreler, mevcut lityum iyon pillerin neredeyse iki katı olan 500 Wh/kg'a kadar enerji üretebiliyor.

Ancak lityum-kükürt piller günümüzde bozulma süreçlerine karşı çok daha hassastır: Şarj ve deşarj sırasında lityum elektrot üzerinde çözünmüş polisülfit ve kükürt fazları oluşur ve bu da pilin performansını ve kullanım ömrünü giderek azaltır. “Araştırmamızla bu süreçleri açıklığa kavuşturmak ve özellikle bu tip pilleri geliştirmek istiyoruz” diyor HZB fizikçisi Dr. HZB'de pillerin operando analizini yapan ekibi yöneten Sebastian Risse.

Endüstride yaygın olarak kullanılan bir pil formatı olan kesecikli hücreler üzerine yoğunlaşıyor . Prof. Yan Lu başkanlığındaki HZB “Elektrokimyasal Enerji Depolama (CE-IEES)” Enstitüsünde, bu “cep formatında” lityum-kükürt pillerin üretiminde uzmanlaşmış bir laboratuvar kuruldu. Burada çok çeşitli cep tipi lityum-kükürt pilleri üretilip test edilebiliyor. Risse tarafından koordine edilen BMBF projesi “SkaLiS”in bir parçası olarak, Risse ekibi, Dresden'deki Fraunhofer Malzeme ve Işın Teknolojisi Enstitüsü'nden (IWS) bir grupla birlikte, Advanced Energy Materials dergisinde lityum-kükürt kese hücreleri hakkında kapsamlı bir çalışma yayınladı.

Bu amaçla, HZB'de geliştirilen bir düzenekte, empedans spektroskopisi, sıcaklık dağılımı, kuvvet ölçümü ve şarj veya deşarj sırasında X-ışını görüntüleme (senkrotron ve laboratuvar kaynağı) gibi farklı yöntemler kullanılarak pil hücreleri incelenmiştir. “İlk kez, çok katmanlı pil çalışması sırasında hem lityum dendritlerinin oluşumunu hem de kükürt kristalitlerinin çözünmesini veya oluşumunu gözlemleyebildik ve belgeleyebildik,” diyor Dr. Çalışmanın baş yazarı, HZB kimyacısı Rafael Müller.

“ Özellikle, BESSY II'deki BAM ışın hattında koherent senkrotron ışığı ile faz kontrastlı radyografi, zayıf emici lityum metal morfolojisini takip etmemizi sağladı. Bu içgörüleri diğer ölçüm verileriyle ilişkilendirerek kapsamlı bir resim oluşturabildik.” Dr. ekibiyle işbirliği içinde HZB görüntüleme laboratuvarında X-ışını analizleri kullanılarak Ingo Manke ayrıca pil çalışması sırasında yüksek emiciliğe sahip kükürt kristallerinin oluşumunu analiz etmeyi de başardı.

Risse , “Sonuçlarımız temel araştırma ile teknoloji transferi arasında bir köprü oluşturuyor, özellikle bu pil teknolojisinin ölçeklenebilirliği ve yüksek enerjili pil sistemlerinin daha da geliştirilmesi konusunda sonuçlara varılmasını sağlıyor ” diyor. Ekip, diğer şeylerin yanı sıra, IWS Dresden'in yeni bir tasarım yaklaşımının umut verici olduğunu gösterdi: delikli ve dolayısıyla önemli ölçüde daha hafif olan katot akım toplayıcısı, hücrenin performansını etkilemiyor.

Bu çalışmanın sonuçları, lityum-kükürt pillerin performansının ve ömrünün optimize edilmesine yardımcı olacak ve böylece bu umut verici pil tipi mobil ve sabit enerji depolama sistemlerinin gereksinimlerini karşılayabilecektir.