Lityum-kükürt piller (Li-S piller), en ilginç yeni nesil pil teknolojilerinden biri olarak kabul edilir. Li-S piller son derece yüksek gravimetrik enerji yoğunluklarına ulaşabilir (örneğin, şu anda mevcut olan en gelişmiş Li-ion piller için yaklaşık 250 Wh/kg ile karşılaştırıldığında 700 Wh/kg'ın üzerinde), bu da onları havacılık, robotik ve uzun menzilli elektrikli araçlardaki uygulamalar için özellikle çekici hale getirir. Ek olarak, kükürdün bol miktarda bulunması, lityum-iyon pillerde kullanılan kobalt ve nikel gibi kritik ve jeopolitik olarak hassas metallere çekici bir alternatif sunar.

Ancak, pratik enerji yoğunluğu, elektrolit gibi aktif olmayan malzemelerin yüksek ağırlık içeriğiyle sınırlıdır. Lityum-kükürt pillerin hücre düzeyinde enerji yoğunluğunu artırmak için, bu nedenle elektrolit miktarını azaltmak gerekir. Bununla birlikte, pil hücresinde ne kadar az elektrolit varsa, elektrotları tamamen ıslatmak o kadar zor olur. Ancak eksik ıslatma, elektrokimyasal süreçleri bozar ve pilin daha hızlı eskimesine, hatta bozulmasına yol açar. Çalışmayı yöneten HZB kimyacısı Prof. Dr. Yan Lu, "Elektrolitin elektrotları nasıl ıslattığı, gözeneklerine nasıl nüfuz ettiği ve Li-S hücrelerinde nasıl dağıldığı çok önemlidir. Ancak pillerin kapalı tasarımı nedeniyle bunu tahribatsız bir şekilde gözlemlemek son derece zordur," diyor.

Yan Lu'nun ekibi, Li-S pil sistemlerinde şarj ve deşarj sırasında pillerin dinamik ıslanmasını gözlemlemek için tahribatsız bir yöntem olan nötron tomografisini kullandı. Bu amaçla ekip, öncelikle endüstriyle ilgili parametrelere uygun, elektrolit içeriği azaltılmış çok katmanlı Li-S kese hücreleri üretti. HZB görüntüleme grubundan Dr. Ingo Manke ve Dr. Nikolay Kardjilov, lityum ve hidrojen gibi hafif elementlerin yerini en yüksek doğrulukla belirlemek için bu örnekleri Grenoble'daki Institut Laue-Langevin'de nötronlarla inceledi.

"İlk kez, sıvı elektrolitin nasıl davrandığını ve bir kese hücresinin farklı katmanlarındaki ıslanmanın zaman içinde yerel olarak nasıl değiştiğini gerçek zamanlı olarak gözlemleyebildik. Bundan bazı ilginç bilgiler edindik," diyor Yan Lu.

Pilin açık devre voltajındaki dinlenme evresi sırasında, özellikle başlangıçta, yerel bölgelerde ıslanmayan alanlar birikti. Dinlenme evresi başlangıçta ıslanmayı iyileştirse de, uzun bir dinlenme evresinin genel ıslanma üzerinde yalnızca minimal bir etkisi vardır.

Deşarj/şarj işlemleri, elektrolitin homojenliğini önemli ölçüde iyileştirerek kükürtün elektrokimyasal aktivasyonunu destekler ve böylece pillerin kapasitesi artar. Ekip, ilk kez, elektrolit ıslatmada kükürt bileşiklerinin çözünmesi ve çökelmesiyle ilişkili periyodik süreçleri gözlemledi. Yan Lu'nun ekibindeki doktora sonrası araştırmacı ve yayının ilk yazarı Dr. Liqiang Lu, "Li-S sistemlerinin özel kimyası nedeniyle, elektrolitin dinamik ıslatma davranışı geleneksel Li-iyon pillerinkinden önemli ölçüde farklıdır," diyor.

"Bu, bu tür sistemlerin hızlı eskimesine ve arızalanmasına yol açan mekanizmaların anlaşılmasına önemli bir katkıdır. Bu bulgular, Li-S pillerin ömürlerini korurken enerji yoğunluğunu artırmaya yardımcı olacaktır," diyor Yan Lu.

KAYNAK: https://www.chemeurope.com/en/news/1186930/lithium-sulphur-batteries-with-little-electrolyte-problem-areas-identified.html