Yeni modelin sunduğu teorik çerçeve, sadece daha hızlı şarj olan pillerin değil, aynı zamanda daha uzun ömürlü ve güvenli batarya sistemlerinin geliştirilmesine de katkı sağlayabilir. Elektronların elektrottan elektrolite geçmesiyle oluşan istenmeyen yan reaksiyonların azaltılması da bu kapsamda önemli bir hedef olarak öne çıkıyor. Bazant, çalışmanın genel amacını şu sözlerle özetliyor: “Eğer süreci yalnızca deneme-yanılma yoluyla değil, akılcı bir biçimde geliştirmek istiyorsak, kontrol edilebilir malzeme parametrelerini belirleyecek bir teorik çerçeveye ihtiyaç duyuyoruz. Bu makale tam olarak bunu sağlamayı hedefliyor.
Ümit Solmaz
Lityum iyon pillerin temelinde, elektrolit çözeltisinde çözünmüş lityum iyonlarının, deşarj sırasında katı elektrot yapısına yerleşmesi ve şarj sırasında geri dönmesiyle gerçekleşen bir reaksiyon bulunur. Bu süreç, pilin ömrü boyunca binlerce kez tekrarlanır ve pilin güç kapasitesi ile şarj hızını belirleyen temel faktördür. Ancak bu reaksiyonun tam mekanizması ve hızını kontrol eden etmenler, uzun süredir tam olarak anlaşılamamıştır.
Massachusetts Institute of Technology (MIT) araştırmacıları tarafından yürütülen yeni bir çalışma, bu mekanizmanın anlaşılmasına yönelik önemli bir adım attı. Bilim insanları, çeşitli pil malzemelerinde lityum iyonlarının aralıklanma hızlarını ölçerek, bu sürecin nasıl kontrol edildiğini açıklayan yeni bir model geliştirdi. Çalışmada ortaya konan modele göre, lityum aralıklanması “bağlı iyon-elektron transferi” (Coupled Ion-Electron Transfer, CIET) adı verilen bir süreç tarafından yönetiliyor. Bu süreçte, bir elektronun bir lityum iyonu ile eşzamanlı olarak elektrota aktarılması, reaksiyonun gerçekleşmesini kolaylaştırıyor.
MIT Kimya ve Matematik Profesörü Martin Bazant, çalışmanın amacını şu sözlerle özetliyor: “Bu çalışmayla hedefimiz, reaksiyonları daha hızlı ve kontrollü hale getirerek şarj ve deşarj süreçlerini hızlandırmak.” Yeni model, aynı zamanda farklı elektrot ve elektrolit kombinasyonlarının neden enerji, güç ve pil ömrü üzerinde farklı etkiler yarattığını açıklamaya da yardımcı olabilir. Çalışmanın kıdemli yazarları arasında Martin Bazant ile birlikte, MIT Makine Mühendisliği, Malzeme Bilimi ve Kimya Profesörü Yang Shao-Horn yer alıyor. Makalenin başyazarları ise Rice Üniversitesi’nden Yirui Zhang, Princeton Üniversitesi’nden Dimitrios Fraggedakis, Utah Üniversitesi’nden Tao Gao ve MIT yüksek lisans öğrencisi Shakul Pathak.
Lityum Akışının Yeniden Tanımlanması
Geleneksel olarak bilim insanları, lityum iyonlarının elektrot yüzeyinde aralıklanma hızının, iyonların elektrolitten elektrota difüzyon hızına bağlı olduğunu varsayıyordu. Bu yaklaşım, yaklaşık bir yüzyıl önce geliştirilen Butler-Volmer denklemiyle açıklanıyordu. Ancak yapılan deneysel ölçümler, bu modelin öngörüleriyle çoğu zaman uyuşmadı; hatta aynı reaksiyon için bildirilen hızlar laboratuvardan laboratuvara milyarlarca kat farklılık gösterebiliyordu. MIT ekibi, bu sorunu aşmak amacıyla elektrotlara kısa voltaj darbeleri uygulayarak yeni bir elektrokimyasal ölçüm yöntemi geliştirdi. Elektrikli araçlarda kullanılan lityum nikel mangan kobalt oksit (NMC) ve tüketici elektroniğinde yaygın lityum kobalt oksit (LCO) dâhil olmak üzere 50’den fazla elektrolit-elektrot kombinasyonu üzerinde deneyler gerçekleştirildi.
Elde edilen veriler, önceki tahminlerden çok daha düşük aralıklanma hızlarını gösterdi ve Butler-Volmer modeliyle uyum sağlamadı. Bu sonuçlar, araştırmacıları lityum iyonlarının elektrot yüzeyine girişini açıklayan yeni bir teori geliştirmeye yöneltti. CIET modeli, bir lityum iyonunun elektrota girebilmesi için, eşzamanlı olarak bir elektronun da elektrota aktarılması gerektiğini ortaya koydu. Bazant, bu mekanizmayı şöyle açıklıyor: “Elektrokimyasal adım, yalnızca lityum eklenmesi değil; aynı anda katı malzemenin indirgenmesi için elektron transferini de içeriyor. Lityum aralıklanması ve elektron transferi birbirini kolaylaştırıyor.” Bu mekanizma, reaksiyonun gerçekleşmesi için gereken enerji bariyerini düşürerek süreci daha olası hale getiriyor. CIET modeliyle yapılan tahminler, deneysel verilerle tutarlı sonuçlar verirken Butler-Volmer modelinden belirgin şekilde farklılık gösterdi.
Daha Hızlı Şarj İçin Yeni Fırsatlar
Araştırma ekibi, elektrolit bileşiminin değiştirilmesinin aralıklanma hızlarını etkileyebileceğini de ortaya koydu. Farklı anyonların kullanımı, lityum ve elektron transferi için gereken enerjiyi azaltarak süreci hızlandırabiliyor. Yang Shao-Horn, bu bulgunun önemini şu şekilde ifade ediyor: “Elektrolit bileşimini değiştirerek aralıklanma kinetiğini ayarlamak, reaksiyon hızlarını artırmak ve pilin güç ile enerji yoğunluğunu geliştirmek için önemli bir fırsat sunuyor.” MIT laboratuvarlarında yürütülen çalışmalar, binlerce farklı elektrolitin otomatik olarak sentezlenip test edilmesini içeriyor. Bu deneysel veriler, makine öğrenimi modelleriyle birleştirilerek daha yüksek performanslı elektrolitlerin öngörülmesini sağlıyor.
Yeni modelin sunduğu teorik çerçeve, sadece daha hızlı şarj olan pillerin değil, aynı zamanda daha uzun ömürlü ve güvenli batarya sistemlerinin geliştirilmesine de katkı sağlayabilir. Elektronların elektrottan elektrolite geçmesiyle oluşan istenmeyen yan reaksiyonların azaltılması da bu kapsamda önemli bir hedef olarak öne çıkıyor. Bazant, çalışmanın genel amacını şu sözlerle özetliyor: “Eğer süreci yalnızca deneme-yanılma yoluyla değil, akılcı bir biçimde geliştirmek istiyorsak, kontrol edilebilir malzeme parametrelerini belirleyecek bir teorik çerçeveye ihtiyaç duyuyoruz. Bu makale tam olarak bunu sağlamayı hedefliyor.”
