Lityum yerine magnezyum: yeni pil daha fazla performans vaat ediyor

Japon araştırmacılar grafen katotlu bir magnezyum-hava pili geliştiriyorlar. Önceki sistemlerden daha ucuz, daha güvenli ve daha güçlüdür.

İster elektrikli bir arabada ister bodrumdaki bir enerji depolama ünitesinde olsun, lityum iyon piller günümüzde hemen hemen her yere monte edilmiştir. Sorun: Lityum nadirdir, pahalıdır ve tedarik zincirleri kırılgandır.

Japonya'daki Tsukuba Üniversitesi'nden bir ekip şimdi yaygın olarak kullanılan ve ucuz bir metal olan magnezyuma dayanan bir alternatif sunuyor.

Araştırmacılar kapasite, dayanıklılık ve güvenlik açısından laboratuvardaki önceki sistemleri açıkça geride bırakan, şarj edilebilir bir magnezyum-hava pili geliştirdiler.

Sonuçları uzman dergide yayınlandı Kimya Mühendisliği Dergisi.

Akü için yakıt olarak hava

Temel prensip basit görünüyor: Pil, oksijeni doğrudan ortam havasından alır ve bunu pozitif terminal olan katotta reaktif olarak kullanır. Bu, bu malzemenin pilin kendisinde saklanmasına gerek olmadığı anlamına gelir; bu da teorik olarak çok yüksek enerji yoğunluklarına izin verir.

Ancak bu konseptle ilgili daha önceki girişimler, kimyasal bir düşman nedeniyle düzenli olarak başarısızlıkla sonuçlanıyordu: elektrolitteki klorür iyonları bileşenlere saldırıyor ve birkaç şarj döngüsünden sonra pili kullanılamaz hale getiriyordu.

Yoshikazu Ito ve Hua-Jun Qiu'dan oluşan ekip artık tam olarak bu dayanıklılık sorununu kontrol altına aldı. Pahalı platin katotlar yerine araştırmacılar, nitrojen atomlarıyla zenginleştirilmiş gözenekli grafenden yapılmış üç boyutlu bir yapı kullanıyor.

Bu malzeme klorür saldırısına karşı dayanıklıdır. Aynı zamanda, olağan sıvı elektroliti katı bir polimer jel ile değiştirdiler, bu da sızıntıları en başından itibaren ortadan kaldırdı.

Platin kapasitesinin üç katı

Laboratuvar sonuçları kendi adına konuşuyor. Yeni grafen katotlu prototip, katot malzemesinin gramı başına yaklaşık 20.900 miliamper saat depoladı. Platin katotlu benzer bir pilin kapasitesi yalnızca 6.000 civarındaydı, yani üçte birinden az.

Dayanıklılık açısından da büyük bir fark vardı: Platin versiyon yaklaşık 170 saat sonra çalışmayı durdururken, yeni prototip 730 saatten fazla dayandı ve 174 stabil şarj döngüsünü tamamladı.

Neden bu kadar iyi çalışıyor? Grafenin her biri yalnızca 100 ila 150 nanometre boyutunda olan küçük gözenekleri, deşarj sırasında oluşan reaksiyon ürünleri için alan sağlar.

Açık yapı aynı zamanda oksijen ve iyonların engellenmeden dolaşabilmesini sağlar. Her ikisi birlikte pili birçok döngü boyunca sabit tutar.

Katlanabilir ve sızdırmaz

Katı hal yapısının özel bir avantajı, mekanik strese maruz kaldığında ortaya çıkar. Testte araştırmacılar, herhangi bir performans kaybı veya elektrolit kaybı olmaksızın pili 120 dereceye kadar büktüler.

Bu, teknolojiyi yalnızca sert araç aküleri için değil, aynı zamanda esnek elektronikler veya vücuda takılan cihazlar için de ilgi çekici hale getiriyor.

Magnezyum: yaygın, ucuz ve kritik değil

Saf performansın yanı sıra ham madde gereksinimleri de yeni yaklaşımın göstergesidir. Magnezyum yerkabuğunda lityumdan bin kat daha fazla bulunur. Bir tonun maliyeti yaklaşık 2.320 dolardır; bu, lityum ve hatta platinin maliyetinin çok küçük bir kısmıdır.

Tüketiciler için bu, bazı üretici ülkelerden bağımsız olarak daha düşük pil fiyatları ve uzun vadede daha istikrarlı tedarik zincirleri anlamına gelebilir.

Güçlü laboratuvar değerlerine rağmen günlük yaşamda hala gidilecek uzun bir yol var. Araştırmacıların kendisi de zayıf bir noktanın altını çiziyor: Zamanla magnezyum anot üzerinde akım akışını giderek engelleyen bir tabaka oluşuyor.

Teknik dilde SEI oluşumu olarak bilinen bu sorun, şu anda genel ömrü sınırlıyor.

Hızlı şarj istasyonundaki elektrik sürücüleri için hayati önem taşıyan belirli şarj süreleri hakkında da bilgi eksikliği mevcut. Ayrıca üretimin öncelikle laboratuvar ölçeğinden endüstriyel miktarlara yükseltilmesi gerekiyor.