Kalay köpüğünden yapılmış yenilikçi pil elektrodu

Lityum-iyon pillerdeki metal bazlı elektrotlar, geleneksel grafit elektrotlara kıyasla önemli ölçüde daha yüksek kapasiteler vaat ediyor. Maalesef şarj ve deşarj döngüleri sırasında mekanik strese maruz kalarak bozulmaktadırlar. HZB'deki bir ekip, kalaydan yapılmış oldukça gözenekli bir köpüğün, şarj döngüleri sırasında mekanik stresi çok daha iyi emebileceğini gösterdi. Bu durum kalay köpüklerini lityum piller için potansiyel bir malzeme olarak ilginç kılıyor.

Modern lityum-iyon piller genellikle çok katmanlı grafit elektrot kullanırken, karşıt elektrot çoğunlukla kobalt oksitten yapılır. Şarj ve deşarj sırasında lityum iyonları malzemede önemli hacim değişikliklerine neden olmadan grafit içerisine göç eder. Ancak grafitin kapasitesi sınırlıdır, bu da alternatif malzeme arayışını heyecan verici bir araştırma alanı haline getirmektedir. Alüminyum veya kalay gibi metal bazlı elektrotlar potansiyel olarak daha yüksek kapasite sunar. Ancak lityum emildiğinde hacim olarak önemli ölçüde genişleme eğilimi gösterirler ki bu da yapısal değişikliklere ve malzeme yorgunluğuna neden olur.

Daha az çabuk yorulan metal elektrotlar üretmenin bir yolu, ince metal folyoların nanoyapılandırılmasıdır. Bir diğer seçenek ise gözenekli metal köpüklerin kullanılmasıdır. Metal olarak kalay, kilogram başına kapasitesinin grafitten neredeyse üç kat fazla olması, nadir bir hammadde olmamasına rağmen bol miktarda bulunması nedeniyle oldukça ilgi çekicidir.

Berlin Helmholtz-Zentrum'dan (HZB) bir araştırma ekibi, operando X-ışını görüntülemeyi kullanarak deşarj ve şarj süreci sırasında farklı tipteki kalay elektrotları inceledi ve bu sorunu ele almak için yenilikçi bir yaklaşım geliştirdi. Bu araştırmaların bir kısmı BESSY II bünyesindeki BAMline’da gerçekleştirildi. Ayrıca görüntüleme uzmanları Dr. Nikolay Kırcilov ve Dr. HZB'de André Hilger. “Bu şekilde, incelenen Sn-metal bazlı elektrotlarda şarj/deşarj süreçleri sırasında meydana gelen yapısal değişiklikleri izleyebildik” diyor Dr. Deneysel çalışmayı yürüten Bouchra Bouabadi. Pil uzmanı Dr. Sebastian Risse, lityum iyonlarının homojen olmayan emilimi nedeniyle kalay elektrotların morfolojisinin çalışma sırasında nasıl değiştiğini gösteriyor.

Kalay elektrotun en iyi versiyonu Dr. Francisco Garcia-Moreno: Sayısız mikron büyüklüğünde gözenekleri olan kalaydan yapılmış bir köpük. “Böyle bir teneke köpükte, hacim genişlemesi sırasında önemli ölçüde daha az mekanik stres meydana geldiğini gösterebildik,” diyor Dr. Çatlaklar. Bu durum kalay köpüklerini lityum piller için potansiyel bir malzeme olarak ilginç kılıyor.

Garcia-Moreno, otomotiv endüstrisindeki bileşenlerde kullanılanlar ve pil elektrotlarında kullanılan alüminyum köpükler de dahil olmak üzere çok sayıda metal köpüğü inceledi. “TU Berlin’de geliştirdiğimiz kalay köpükler oldukça gözenekli ve geleneksel elektrot malzemelerine ilginç bir alternatif” diyor. Kalay köpüklerin yapılandırılması, mekanik stres azaltımını en üst düzeye çıkarmak için çok önemlidir. Kalay köpük teknolojisi ekonomik açıdan da ilgi çekici olabilir: "Kalay köpük, geleneksel kalay folyodan daha pahalı olmasına rağmen, pahalı nanoyapılandırmaya göre daha uygun maliyetli bir alternatif sunuyor ve aynı zamanda önemli ölçüde daha fazla lityum iyonu depolayabiliyor, böylece kapasitede artış sağlıyor."