ABD Enerji Bakanlığı’nın Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim insanları, sodyum iyon pillerin ticarileşmesini engelleyen bir sorunun çözümünde önemli ilerleme kaydetti.
Sodyum iyon pillerin ticarileştirilmesinin önündeki en büyük engel, tekrarlanan deşarj ve şarj sırasında sodyum içeren katodun performansındaki hızlı düşüştür. Ancak Argonne ekibi, Argonne’un daha önceki lityum iyon oksit katot tasarımıyla yakından ilişkili, kanıtlanmış yüksek enerji depolama kapasitesi ve uzun ömrü olan yeni bir sodyum iyon oksit katot tasarımı geliştirdi.
Her iki tasarımın da önemli bir özelliği, katot parçacıklarının nikel, kobalt, demir veya manganez içerebilen bir geçiş metalleri karışımı içermesidir. Bu metaller bireysel katot parçacıklarında eşit olmayan bir şekilde dağılmıştır. Örneğin çekirdekte nikel bulunur, bu çekirdeğin etrafında bir kabuk oluşturan kobalt ve manganez bulunur. Bu unsurlar farklı amaçlara hizmet eder. Manganez açısından zengin yüzey, şarj-deşarj döngüsü sırasında parçacığa yapısal stabilite kazandırır. Nikel açısından zengin çekirdek ise yüksek enerji depolama kapasitesi sağlar.
Ancak bu tasarımı test ederken katodun enerji depolama kapasitesinin giderek azaldığı görüldü. Sorun, çevrim sırasında parçacıklarda çatlak oluşmasıyla ilgiliydi. Bu çatlaklar, parçacıkların kabuk ve çekirdek arasında oluşan gerilimden dolayı oluşmuştur. Ekip, katot hazırlama yöntemini geliştirerek bu gerilimi ortadan kaldırmaya çalıştı.
Sentez sürecini başlatmak için kullanılan başlangıç malzemesi hidroksittir. Oksijen ve hidrojene ek olarak üç metal içerir: nikel, kobalt ve manganez. Ekip bu hidroksitin iki versiyonunu yarattı: birinde metaller çekirdekten kabuğa doğru bir eğimle dağılmıştı, diğeri ise karşılaştırma amacıyla her parçacık boyunca üç metalin eşit şekilde dağıtıldığı bir versiyondu.
Nihai ürünü elde etmek için ekip, başlangıç malzemesi ve sodyum hidroksit karışımını 600°C sıcaklığa ısıttı, belirli bir süre bu sıcaklıkta tuttu, ardından oda sıcaklığına soğuttu. Araştırmacılar ayrıca farklı ısıtma hızlarını da denediler.
Bu işlem boyunca ekip, parçacıkların özelliklerindeki yapısal değişiklikleri izledi. Analiz, iki DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisinin kullanımını içeriyordu: Argonne’daki Gelişmiş Foton Kaynağı (ışın kanalları 17-BM ve 11-ID) ve DOE’nin Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki Ulusal Sinkrotron Işık Kaynağı II (ışın kanalı 18-ID).
Argonne ışın hattı üzerinde çalışan Wenqian Xu, “Bu nesneler üzerinde X ışınlarını kullanarak, gerçekçi füzyon koşulları altında parçacık bileşimi ve yapısındaki değişiklikleri gerçek zamanlı olarak tespit edebiliyoruz” dedi.
Ekip ayrıca parçacıkları karakterize etmek amacıyla ek analizler için Argonne’daki Nano Ölçekli Malzemeler Merkezi’ni (CNM) ve X-ışını verilerini ayrıntılı 3 boyutlu görüntüler halinde yeniden yapılandırmak için Argonne Liderlik Hesaplama Tesisi’ndeki (ALCF) Polaris süper bilgisayarını kullandı.
İlk sonuçlar homojen parçacıklarda çatlaklar ortaya çıkarmadı ancak 250°C’ye kadar sıcaklıklarda gradyan parçacıklarda oluşan çatlaklar ortaya çıktı. Bu çatlaklar çekirdekte ve çekirdek-kabuk arayüzünde ortaya çıktı ve daha sonra yüzeye taşındı. Metal eğimi, bu çatlaklara yol açan önemli deformasyona neden oldu.
Argonne’da doktora sonrası araştırmacı Wenhua Zuo, “Degrade parçacıkların yüksek enerji depolama kapasitesine sahip katotlar oluşturabildiğini bildiğimiz için, gradyan parçacıklarındaki çatlakları ortadan kaldıracak ısıl işlem koşulları bulmak istedik” dedi.
Isıtma hızının kritik bir faktör olduğu ortaya çıktı. Çatlaklar dakikada beş derecelik bir ısıtma hızında oluştu, ancak dakikada bir derecelik daha yavaş bir hızda oluşmadı. Katot parçacıklarıyla küçük hücrelerde ve daha düşük hızlarda test edilen bu ürün, 400’den fazla döngü boyunca yüksek performansını korudu.
“Katot sentezi sırasında çatlakların önlenmesi, katodun daha sonra şarj edilmesi ve boşaltılması sırasında büyük fayda sağlar. Her ne kadar sodyum iyon piller henüz uzun mesafelerdeki araçlara güç sağlamak için yeterli enerji yoğunluğuna sahip olmasalar da şehir içi ulaşım için idealdirler” dedi ortak yazar Gui-Liang Xu.
Ekip şu anda katottaki nikeli ortadan kaldırmak için çalışıyor; bu da maliyetleri daha da azaltacak ve çevre dostu olma özelliğini artıracak.
“Sadece düşük maliyetli ve uzun ömürlü olmakla kalmayıp aynı zamanda birçok lityum iyon pilde kullanılan lityum demir fosfat katotunun enerji yoğunluğuna sahip olan gelecekteki sodyum iyon piller için beklentiler oldukça iyi görünüyor. Bu, iyi menzile sahip, daha dayanıklı elektrikli araçların ortaya çıkmasına yol açacak” dedi Argonne Üniversitesi Seçkin Üyesi Khalil Amin.
Sodyum iyon piller, şu anda pazara hakim olan lityum iyon pillere bir alternatif sağlayabilir. Lityum-iyon piller yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir ancak aynı zamanda pahalıdırlar ve çevre dostu olmayabilirler. Sodyum iyon piller ise daha düşük maliyetlidir ve sodyumun lityuma göre daha bol bulunan bir element olması nedeniyle daha çevre dostu olabilir.