Alüminyum-kükürt pil, lityum iyon hücrelere ucuz bir alternatif olabilir…

Yeni geliştirilen cihaz aynı zamanda pili kısa devre yapıp alev alabilen dikenli metalik dendritlerin oluşumunu da bastırıyor.

Soldan sağa alüminyum, kükürt ve tuz kristalleri (Rebecca Miller)

Lityum metali, belirli bir katot için en yüksek voltaj ve enerji yoğunluğunu sağladığı için bazen nihai anot malzemesi olarak lanse edilir. Ancak bunlardan kaçınmak için adımlar atılmazsa, lityum dendritler anotta birikebilir ve bir lityum iyon pilin yanıcı sıvı elektrolitini ateşleyen bir kısa devreye neden olabilir. Pekin Üniversitesi'nden Quanquan Pang ve MIT'den Donald Sadoway tarafından yönetilen uluslararası bir malzeme bilimciler ekibi, şimdi bu sorunu tamamen ortadan kaldıran bir pil geliştirdi. Dünyanın en bol malzemelerinden bazılarını içeren bu, erimiş tuz elektroliti ile çalışan, hızla şarj olan bir alüminyum-kalkojen hücredir.

Demir, ticari olarak en baskın metal olmasına rağmen, verimli bir pil yapmak için doğru elektrokimyasal özelliklere sahip değildir. Dünyadaki en bol metal olan alüminyum, daha iyi bir anot seçimi olarak ortaya çıkıyor. Prensipte, herhangi bir kalkojen element bir katot olarak yer alabilir. Ancak araştırmacılar, en ucuzu olan kükürt kullanmaya karar verdiler. Ve elektrotlar arasında erimiş tuz NaCl-KCl-AlCl3'ü seçtiler. (Şekil, soldan sağa, alüminyum, kükürt ve tuz kristallerinin bu ortak bileşenlerini görsel olarak yan yana getirmektedir.)

Suyun kaynama noktasının altında bir erime noktası (ve dolayısıyla çalışma sıcaklığı) ile kloroalüminat tuzları, diğer yüksek sıcaklıktaki tuzlardan daha az uçucudur. Ayrıca daha pratiktirler: Araştırmacıların kavram kanıtı deneyleri, malzeme kombinasyonunun yüksek enerji yoğunluğu ürettiğini (elektrokimyasal verilerden tahmin edilen, lityum iyon pillerinkiyle eşit olarak 526 watt-saat/litre) ve yüzlerce pil ömrüne dayandığını gösterdi. son derece hızlı şarj oranlarında döngü sayısı—bir dakikadan daha kısa sürede tam şarja ulaşma.

Dahası, ekip öncelikle düşük erime noktası nedeniyle kloroalüminat erimiş tuz elektrolitini seçmiş olsa da, yeni deneyler, tuzdaki yüksek AlCl3 konsantrasyonunun bu şarj hızlarında dendrit kısa devre sorununa direndiğini gösterdi. Araştırmacılar, dendrit büyümesinin, bir tesviye maddesi olarak hareket ettiği bilinen eser miktarda çözünmüş sülfit mevcudiyeti tarafından engellendiğini tahmin ediyorlar.

Tüm bileşenlerin mevcudiyeti göz önüne alındığında, araştırmacılar Al-S pilinin maliyetinin kilovat saat başına 8,99 dolar kadar düşük olduğunu tahmin ediyor. Bu, günümüzün lityum iyon pillerinin maliyetinin %12-16'sı kadardır. Ve erimiş tuz elektroliti 500 °C'nin üzerinde termal olarak kararlı olduğu ve termal kaçak ve yangına karşı bağışık olduğu için, araştırmacılar pil kimyasının özellikle elektrikli araçlar için çekici olabileceğini savunuyorlar. Sadoway, pil teknolojisi için patentleri lisanslayan kurucu ortağı olduğu Avanti şirketi için araştırmayı zaten temel aldı.

Yeni piller, gerekli onlarca kilovat saatlik depolama kapasitesinde kârlı bir şekilde ölçeklendikleri için tek bir eve güç sağlamak için de ideal olabilir. Günümüzün lityum iyon pilleri, bu tür enerji depolama uygulamaları için hala çok pahalıdır. (Q. Pang ve diğerleri, Nature 608, 704, 2022.)

R.Mark Wilson, 29 Aug 2022. Physics Today

ÇEVİRİ: DO Danışarak Öğren