Nanotop piller

Nanotop piller, karbon ve lityum demir fosfat gibi çeşitli malzemelerden oluşabilen nano boyutlu toplardan yapılmış katot veya anotlu deneysel bir pil türüdür. Nanoteknoloji kullanan piller, artırılmış yüzey alanları nedeniyle hızlı şarj ve deşarj gibi yüksek performansa izin pillerdir.

2009'da MIT'den araştırmacılar bir lityum demir fosfat nanotop pili 10 saniyede şarj edebildiler. Teorik olarak bu, küçük elektronik cihazların hızlı bir şekilde şarj edilmesine izin verirken, daha büyük piller hala şebeke elektriği ile sınırlandırılmış olacaktır.

Karbon çubuk, kok tozu ile asetilen varlığında hazırlanır ve ark boşaltma tekniği kullanılarak oluşturulur. Ark deşarj tekniği, bir DC akımının geçişiyle buharlaşan bir anot ve bir katot olarak iki yüksek saflıkta grafit elektrot kullanır. Ark deşarjından bir süre sonra katotta bir karbon çubuk oluşur. Karbon çubuk daha sonra bir DC ark boşaltma reaktörüne konur. Karbon çubuk anot görevi görürken, yüksek saflıkta bir grafit çubuk katot görevi görür.

70-90 amp'e ayarlanmış bir akım, 0,05 ila 0,06 MPa basınçta bir asetilen ortamında iki çubuktan geçirilir. Ark buharlaştırma işlemi sırasında karbon çubuk üzerinde karbon nano topları oluşur. Karbon nano topları daha sonra 200°kV'de çalıştırılan enerji dağıtıcı x-ışınları ile donatılmış bir FE-SEM ( Alan emisyon taramalı elektron mikroskobu) ve bir STEM ( tarama transmisyon elektron mikroskobu) kullanılarak incelendi. Oluşan karbon nanotopların çoğu sinterlendi (ısı ve/veya basınçla oluşan katı malzeme kütlesi). Bir grup yerine bireysel olarak var olan eser miktarda nano topların yanı sıra birkaç pamuk benzeri nano malzeme de tespit edildi.

Anhui Teknoloji Üniversitesi tarafından yapılan testler, bir hücre elektrotunun içindeki karbon nanotopların yüksek bir tersinir kapasiteye ve neredeyse %74'lük bir kapasite tutma oranına sahip olduğunu göstermiştir. Bu, pilin çok hızlı bir şekilde boşalabileceği ve pilin doğru koşullar altında toplam enerjisinin neredeyse dörtte üçünün kullanılabilir olduğu anlamına gelir. Dalian Denizcilik Üniversitesi, Malzeme ve Teknoloji Enstitüsü tarafından yapılan testler karbon nanotopların, silikon gibi diğer malzemelerin enerji çıktısını daha da artırmak için kullanılabileceğini de göstermiştir. Silikon-karbon nano topların moleküler yapısını değiştirmek, aynı zamanda daha yüksek şarj ve deşarj kapasiteleri, daha uzun döngüsel stabilite (pilin değiştirilmesine ihtiyaç duymadan önceki süre) ve iyi bir oran performansı ile sonuçlanabilir.

Lityum, diğer elementlerden daha hızlı olarak iyonların aktarılmasına izin verdiği ve aynı zamanda bu enerjiyi daha uzun süre tutabildiği için iyi bir enerji iletkenidir. Araştırmalar, bir fosfat partikülünün LiFePO4 (lityum demir fosfat) tabakası ile kaplanmasının daha da hızlı bir iyon transferine izin verdiğini göstermiştir.

Lityum demir fosfat, Li2CO3, FeC2O4 (demir(II) oksalat) ve NH4H2PO4(amonyum dihidrojen fosfat) kullanılarak katı hal reaksiyonuyla yapıldı. Bileşikler öğütüldü ve daha sonra aseton içerisine yerleştirilerek 350 °C'ye kadar ısıtıldı, 10 saat bekletildi ve ardından oda sıcaklığına soğumaya bırakıldı. Karışım daha sonra 600 °C'de tekrar ısıtılmadan önce 10,000 libre basınç altında peletlendi. (argon altında 10 saat boyunca). Oluşturulan her bir nano top yaklaşık 50 nm çapındadır. Normal şartlar altında, elektrokimyasal sistemler (örn. piller) ancak süper kapasitörlerle yüksek güç oranlarına ulaşabilir. Süper kapasitörler, yüklü türlerin yüzey adsorpsiyon reaksiyonları yoluyla bir elektrot üzerinde enerji depolayarak yüksek bir güç oranı elde eder. Ancak, bu düşük enerji yoğunluğu ile sonuçlanır. Lityum demir fosfat, yükü bir malzemenin yüzeyinde depolamak yerine, yükü kendi kütlesinde (karbon nano topların iç kısmında) depolayarak yüksek bir güç oranı ve yüksek enerji yoğunluğu elde edebilir. Bu mümkündür, çünkü lityum demir fosfat yüksek lityum kütle hareketliliğine sahiptir. Kontrollü stokiyometri (moleküler denklemde reaktanların ve ürünlerin mol-mol oranını kontrol ederek) yoluyla hızlı bir iyon ileten yüzey fazı oluşturmak, ultra hızlı bir deşarj hızı sağlar.

Deşarj hızı testleri, %30 aktif malzeme, %65 karbon ve %5 bağlayıcı içeren elektrotlar üzerinde gerçekleştirilmiştir. Lityum demir fosfat topları, argon dolu bir torpido gözünde toplandı ve bir Maccor 2200 (pil test sistemi tipi) kullanılarak test edildi. Maccor 2000, galvanostatik moda ayarlandı (elektrokimyasal performansı ölçer) ve anot ve susuz elektrolit olarak lityum metali ve ayırıcı olarak Celgard 2600 veya 2500 kullandı. Nihai deşarj oranı, bir pili yaklaşık 10-20 saniyede şarj edecek kadar hızlıydı, bu normal bir pilden yaklaşık 100 kat daha hızlıydı.

Tesla Motors, araçlarına nano top pilleri yerleştirmeyi düşündü, ancak gereken enerji miktarı ve bu kadar enerjiyi aktarmak için gereken kablo, onu oldukça verimsiz hale getirecekti. Şu an itibariyle, nanoball piller hala deneysel aşamada. Arabalarda ve telefonlarda kullanılmasının yanı sıra, nanotop piller, küçük boyutları ve yüksek deşarj oranları, enerjinin hızlı ve verimli bir şekilde etrafa yayılmasını sağlayacağından, üçüncü dünya ülkelerinde ve afet bölgelerinde yardım için de kullanılabilir.

Nanotop piller çok fazla potansiyel gösteriyor, ancak iyileştirmeler yapılması gerekiyor. Gelecekteki araştırmalar, nano topları pillerdeki silikon gibi diğer malzemelerle birleştirmeyi ve bir lityum hücrenin katoduna entegre etmeyi hedefliyecektir. Doğu Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Okulu'nda yapılan araştırma, silikon nano topların grafen/karbon kaplama ile kaplanmasının, silikon nano topun çok hızlı bozulmasını önlediğini ve pilin genel elektromekanik performansını iyileştirdiğini göstermiştir. Arabalarda ve diğer elektrikli araçlarda kullanım için nano top pilin aracı daha az enerji kullanarak şarj edebilmesi gerekir. Batarya çok hızlı boşalabilse de bataryaya girmek için çok fazla enerji gerekir. Düzeltilmesi gereken bir diğer konu da, pilin çok çabuk boşalabilmesine rağmen, bu kadar enerjiyi çok uzun süre tutmakta güçlük çekmesidir. Pilin ne kadar enerji tutabileceğinin sınırını artırmak, pili çok daha verimli hale getirecektir. Katot malzemesi mevcut üretim pillerine göre daha yavaş bozunduğundan, teknoloji daha küçük pillere de izin verebilir.