Bilim İnsanları, Patlamadan Önce Tuhaf Şekilde Büyüyen Pillere Yakından Baktı

İşte akıllı telefonların kendiliğinden yanmasına sebep olan şey.

Bilim insanları, pilin bölüm duvarlarını delebilen, kısa devrelere ve hatta yangınlara yol açabilen ve dentrit adı verilen parmak benzeri uzanımların atomik seviyedeki görüntülerini ortaya çıkardı.

Bu küçük çıkıntıları daha fazla anlamak, gelecekte daha güvenli akıllı telefonlara yol açmanın yanında arabalarımız, evlerimiz, dizüstü bilgisayarlarımız ve diğer tüm elektrikli cihazlarımız için daha dengeli piller geliştirmemize yardımcı olacak.

Stanford Üniversitesi ve SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki takım, çoğu tüketici cihazında bulunan lityum pillerinin üzerinde çalışmak için kiro-elektron mikroskobi adı verilen bir yöntem kullandı. Bu yöntemde örnekler sıvı nitrojene batırılarak aniden donduruluyor.

Kiro-EM bu sene Kimya dalında Nobel ödülü kazandı. Yöntem, moleküller hareket halinde oldukları zaman bile onlara atomik ölçekte bakma imkanı sağlıyor. Bu çalışmada söz konusu moleküller, pillerde güvenlik tehlikelerine yol açabilecek olanlardı.

Örnekler sıvı hidrojende dondurulduktan sonra incelenmek üzere kesilebiliyorlar. Bir pilin şarj döngüsü esnasında herhangi bir noktada tam olarak ne olduğunu görebiliyorsunuz.

Araştırmacılardan biri olan SLAC’tan Yi Cui şöyle söylüyor: “Bu çok heyecan verici bir şey ve ayrıca inanılmaz fırsatlara kapı açıyor.”

“Kiro-EM ile, kırılgan ve kimyasal olarak dengesiz bir malzemeye bakabiliyor ve onun gerçek bir pilde olduğu gibi bozulmamış halini koruyabiliyorsunuz ve yüksek çözünürlük altında bakabiliyorsunuz.”

“Buna her türlü pil maddesi dahil. Bizim burada üzerinde çalıştığımız lityum metali, örneklerden sadece biri fakat çok ilginç ve zorlu bir madde.”

Araştırmada, elekrotlar ile tepkimeye giren binlerce lityum metal dentritine ve onların tabakalarına bakıldı (elektrotlar: pillerin içinde şarj boşaltımı ve yüklemesini yöneten iletken çözeltiler).

Araştırmacılar dentritlerin atomik seviyede görüntülendiği zaman kristal olduklarını keşfettiler (dentritler: belirli yönlerde uzamayı tercih eden nanotel türleri). Arasıra meydana gelen tel dolaşmasına rağmen, uzadıkça şaşırtıcı şekilde sağlam yapılar oluşturmuşlardı.

Araştırmacılar elektronları dentritten sektirerek, hem kristalde hem de onun katı elektrolit arafaz (SEI) katmanındaki tekil atom yerleşimine baktılar. SEI, verimi artırdığı bilinen bir kimyasal damlatıldığı zaman daha düzenli hale geldi; katkı maddesinin bu kadar iyi çalışmasının sebebi bu olabilir.

Bütün bu bilgiler, gelecekte daha büyük ve daha güvenli piller üretme konusunda çok faydalı.

Dentritler, bir pilin içindeki elektrot aşındığı zaman oluşuyor ve yüzeyinde metal iyonlarının toplanmasına sebep oluyor. Bu iyon parmaklar, pildeki iki bölüm arasında bulunan engeli delerse aşırı ısınma meydana geliyor.

Bilim insanları bir süredir var güçleriyle bu durumu engellemeye çalışıyorlardı; Stanford’daki aynı takım, dentritlerin büyümesini durdurmak veya hasar tespit edilirse pillerin kendiliğinden kapanması için bazı yöntemler geliştirmişti.

Ancak şimdiye kadar bu bıyıklar oluşurken gerçekten yakından bakamamıştık. Yeni çalışma burada devreye girdi.

Önde gelen alternatif yöntemlerden birisi de aktarım elektron mikroskobisi veya TEM. Lityum metali havada çok hızlı şekilde aşındığı için, bilim insanları yakınlaştırma yapar yapmaz dentritler hasar görüyor.

Araştırmacılardan biri olan Yuzhang Li şöyle açıklıyor: “TEM, güneş ışığını büyüteç ile bir yaprağın üzerine odaklamak gibi.”

“Fakat ışığı odakladığınız zaman yaprağı soğutursanız, ısı dağılacak ve yaprak zarar görmeyecektir. Kiro-EM ile bunu yapıyoruz. Bu pil maddelerini görüntülemek söz konusu olduğunda, aradaki fark çok büyük.”

Dentritler ve sorunlarıyla güvenli şekilde başa çıkmak, bilim insanlarının gelecekte yeni pil türleri geliştirebileceği, daha fazla enerji depolayabileceği anlamına geliyor, ancak ilk önce yapılması gereken bir sürü analiz var.

Nihayet tek şarjla (üstelik yolun yarısında alev almadan) bütün hafta gidebilen elektrikli bir arabanız olduğunda, kiro-EM’ye teşekker edebilirsiniz.

Araştırmacılardan biri olan Yanbin Li şöyle söylüyor: “Gerçekten heyecan duyduk. Bir dentritin bu kadar detaylı görüntülerini ilk defa elde ettik ve ayrıca ilk defa SEI katmanının nanoyapısını gördük.”

“Bu araç, farklı elektrolitlerin yaptığı şeyleri ve bazılarının niçin diğerlerinden daha iyi çalıştığını anlamamıza yardımcı olabilir.”

Araştırma Science bülteninde yayınlandı.

Takım bu işlemin videosunu da oluşturdu. Aşağıdan bakabilirsiniz:

ScienceAlert