Li-ion piller, Li-S piller ve Na-ion piller gibi şarj edilebilir piller, yenilenebilir enerji sistemlerinin geliştirilmesinde harika bir yer tutar. Bu pillerin mevcut dezavantajları beklentileri karşılamak için yeni çözümler gerektirir. 

Grafen bu gelişmeler için umut verici bir malzeme olarak kabul edilmektedir. Grafenin yüksek iletkenliği, yüksek yüzey alanları ve mekanik esnekliği şarj edilebilir pillerde büyük ölçüde kullanılmaktadır. 

Giriş

Modern dünyanın giderek artan enerji gereksinimleri, bilim insanlarını gerekli iyileştirmeler yolunda yeni sorunlara çözüm üretmeye itmiştir. Yenilenebilir enerji kaynakları, otomobiller gibi önemli sektörlerin ve verimli enerji depolama sistemlerinin ilgi odağı olmuştur. Enerji depolama uygulamaları, yeni enerji sistemleri ile elektrikli arabalar gibi enerji tasarruflu makineler arasında köprü görevi görür. Şimdiye kadar Lityum-iyon piller piyasadaki en yaygın ticari piller olmuştur. Bununla birlikte, sınırlı teorik kapasiteleri, yüksek maliyeti ve Li elementinin azlığı, bilim topluluğunu farklı seçenekler aramaya zorlar. Li-ion pillerin kapasitesinin artırılması, eski Li-S pillerin yeniden canlandırılması ve sodyum-iyon piller (SIB) gibi yeni teknolojilerin geliştirilmesi, araştırılmakta olan seçeneklerdir.

Grafen'in Benzersiz Özellikleri

Son zamanlarda, grafen bu gelişmelerin yıldızı olmuştur. Grafen aslında bir sp²-bağlı altıgen ağda düzenlenmiş tek atom kalınlığında bir karbon tabakasıdır. Bu basit görünen yapı, çeşitli mükemmel fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir. Grafen tek atom kalınlığı sayesinde eşsiz elektronik özellikler, yüksek mekanik mukavemet, yüksek termal iletkenlik ve geniş yüzey alanı (2630 m²/g) sağlar.

Grafenin benzersiz özellikleri, yeni enerji depolama uygulamaları için verimli elektrotlar geliştirmede kullanılır. Yüksek elektron hareketliliği (2,5 × 105 cm² /V s) ve yüksek grafen yüzey alanı, Li-ion, Li-S ve Na-ion piller için şarj kapasitesinin geliştirilmesini kolaylaştırır. Grafenin esnek doğası, şarj / deşarj döngüleri sırasında hacim dalgalanmalarını tamponlar.

Grafen Pillerin Batarya Teknolojisindeki Yeri

Lityum İyon Piller ve Grafen Piller

Geleneksel lityum-iyon pil (LIB) teknolojisi grafit anotları ve LiCoO₂ katotunu içerir. Bu pillerin önemli enerji yoğunluğu ve şarj / deşarj kapasitesi göstermesine rağmen, son teknolojik gelişmelerin enerji taleplerini karşılamada geride kalmaktadırlar. Bu nedenle, daha iyi şarj depolama kapasitesine ve ümit verici döngüsel stabiliteye sahip farklı anot malzemelerinin geliştirilmesi gerekmektedir. Karbon malzeme çeşitliliği arasında; grafen, grafen oksit (GO) ve türevleri, yüksek iletkenlik özellikleri, yüksek yüzey alanı (> 2000 m²/g) ve iyi yük taşıyıcı hareketliliği nedeniyle ilgi odağı haline gelmiştir.

Bu malzemeler Li-iyon hareketliliğini ve elektron transferini teşvik ederken, Li'nin grafen üzerindeki yüksek yayılım oranı hız kapasitesini arttırır. Grafenin teorik kapasitesi (764 mAh / g), geleneksel grafit elektrotların iki katıdır. GO'ların elektriksel özellikleri, yapılarındaki oksijen içeren grupların konsantrasyonunu değiştirilerek kolayca ayarlanabilir. GO'nun bir başka avantajı, elektroaktif malzemelerin sabitlenmesi için artan aktif alanların sayısıdır. Grafen ve GO doğrudan elektrot olarak kullanılabilse de, metal oksitleri, CNT'ler gibi diğer karbon bazlı malzemeleri dahil ederek veya farklı indirgeme stratejileri, heteroatom katkısı ve ko-atom katkısı yoluyla yapılarında kusurlar oluşturarak bu yapıları değiştirmek de mümkündür. . Tüm bu yöntemler, LIB'lerin şarj kapasitesini ve döngü kararlılığını artırmayı amaçlamaktadır. Çalışmaların çoğu grafen bazlı anotlara odaklanmış olsa da, grafen bazlı katotlar da son zamanlarda bilim camiasında dikkat çekmektedir.

Li-İyon ve Grafen piller hakkında bilgi almak için blog yazımızı ziyaret edin.

Grafen Tabanlı Anotlar

Anot malzemeleri için grafen, grafen nanosheet (GNS)'ler, karbon nanotüpler (CNT'ler), karbon nanoribbonlar (CNR) veya bu yapıların bir kombinasyonu gibi farklı formlarda kullanılabilir. LIB anotlarında geri dönüşümlü kapasiteyi 794-1054 mAh g ^{− 1}'e yükselten kusurlu ve kenarlı düzensiz grafen yapıları da kullanılabilir. GO'lar ayrıca ilk şarj kapasitesi 1400 mAh / g olan umut verici malzemelerdir.

Ancak, düşük cycling stabiliteleri vardır. Grafen bazlı anotların şarj kapasitesini ve döngü stabilitesini arttırmak için grafen ve GO yapılarına birkaç farklı malzeme dahil edilir. En yaygın malzemeler metaller, metal oksitler ve sülfür nanopartikülleridir. Farklı çalışmalar, ZnO, MoS₂, Fe₃O₄ ve benzer yapıdaki birçok malzemenin Li-ion pilleri önemli ölçüde artırma potansiyeline sahip olduğunu bulmuştur. Yukarıdaki yöntemlere ek olarak, katkılı grafen / GO yapıları da LIB anotları için araştırılmaktadır. Metal oksitli N-katkılı grafen / GO yapıları yüksek kapasiteler ve döngü kararlılıkları sağlamıştır.

Grafen Tabanlı Katotlar

Grafen bazlı LIB katotları grafen bazlı LIB anotları kadar yaygın olmasa da, araştırmacılar son zamanlarda bu potansiyeli araştırmaya başlamıştır. Lityum iyon piller için en çok çalışılan katot malzemelerinden bazıları LiCoO₂, LiMn₂O₄ ve LiFePO₄'tür. Bu malzemelerin nispeten düşük elektriksel iletkenliği genellikle karbon karası (carbon black) gibi bazı katkı maddeleri dahil edilerek telafi edilmektedir. Ancak, yine de iyileştirmeler gerekmektedir. Grafen, yüksek iletkenliği, yüksek yüzey alanı ve geniş elektrokimyasal potansiyel penceresi nedeniyle mükemmel bir katot malzemesidir. Yüksek yüzey alanı iyon hareketliliğini kolaylaştırır ve geliştirilmiş oksit performansı ile metal oksit / karışık metal oksitlerin büyümesi için bir substrat sağlar. Diğer karbon malzemelerle birlikte olan grafen kompozitler iyon aktarım hızını ve Li + difüzivitesini arttırır. Grafen bazlı LIB katotlarının en büyük dezavantajları yüksek hacimli oluşudur. Bu dezavantajlar nedeniyle, bu sistemlerin geliştirilmesi gerekmektedir.

Lithium-Sülfür Piller ve Grafen

LIB'lerin teorik kapasiteleri giderek artan enerji talebini karşılayamadığından, farklı pil türleri dikkat çekmektedir. Dahası, LIB'ler hala yüksek Li içeriğinden dolayı bazı sorunlarla karşılaşılmaktadır. Lityum-kükürt (Li-S) piller, son derece yüksek teorik kapasiteleri ve kükürt bolluğu nedeniyle LIB'lere en umut verici alternatiflerden biri olarak kabul edilir. Li-S pilleri bir süredir piyasada kullanılmaktadır. Şimdiye kadar ticari Li – S pil, ticari LIB'lerden (150-200 Wh/kg) önemli ölçüde daha yüksek olan 350 Wh/kg'in üzerinde özel enerji sunmaktadır. Belirli bir enerjide 600 Wh/kg'in öngörülebilir gelecekte elde edileceğine inanılmaktadır. Bununla birlikte, sülfür / Li₂S'nin yalıtıcı doğası ve lityum polisülfürlerin yüksek çözünürlüğü nedeniyle hızlı kapasite bozulması ve kısa ömrü nedeniyle gelişmeleri engellenmiştir. Lityum polisülfitlerin yüksek çözünürlüğü bir “mekik etkisi” yaratır ve hem anodu hem de katodu bozar. Ayrıca, kükürt ve Li2S arasındaki dönüşümler, yapıda çatlaklar oluşturan% 70'lik bir hacim değişikliğine neden olur. Grafen ve türevleri bu sorunların üstesinden gelme potansiyeline sahiptir. Graphene ve GO, katotlarda, anotlarda ve Li-S pillerin ara katmanlarında kullanılabilir. Yüksek grafen iletkenliği, elektron transferini kolaylaştırır ve kükürdün yalıtım yapısını telafi ederken esnekliği ve mekanik sağlamlığı, şarj / deşarj döngüleri sırasında büyük hacim değişikliklerini tamponlar. Gözenekli yapısı ve grafenin yüksek yüzey alanı, kükürt yüklemesi için uygun bir platform sağlar. GO, polisülfürleri yakalama ve Li-S pillerinin verimliliğini arttırma yeteneğine sahip çeşitli farklı fonksiyonel gruplar içerir. Grafen, GO ve türevlerinin polisülfür yakalama özellikleri, farklı fonksiyonel gruplar veya heteroatomlarla doping veya fonksiyonelleştirme yoluyla arttırılabilir. N-doping, CNT gibi diğer karbon materyallerinin dahil edilmesi ve grafen-polimer kompozitleri, Li-S pillerinin geliştirilmesi için yaygın olarak incelenen yöntemlerdir.

Sodyum-İyon Piller ve Grafen

LIB'lere bir başka alternatif sodyum-iyon piller (SIB'ler) olarak kabul edilir. Özellikle Na'nın düşük maliyeti ve bolluğu, LIB'lere kıyasla caziptir. Çoğu enerji depolama uygulaması için uygundur, ancak özellikle şebeke depolama, yenilenebilir rüzgar ve güneş enerjisi, enerji depolama, kesintisiz güç kaynakları olarak yedekleme sistemleri ve sabit enerji depolama gibi "geniş format" uygulamaları ve otomotiv sektörü için uygun olarak görülmektedirler. SIB'ler için katot malzemeleri olarak sodyum manganez hekzasiyanoferrat, Na₃V₂ (PO₄) / karbon kompoziti ve Na₃V₂ (PO₄) / G kompoziti gibi çeşitli uygun katot seçenekleri önerilmiştir. Bununla birlikte, anot malzemelerinin geliştirilmesi hala devam etmektedir. Grafen ve grafen bazlı malzemelerin SIB katotları için uygun olduğu bulunmuştur. Grafen, elektroaktif nanomalzemeler için bir destek görevi görebilir ve katmanlar arasındaki van der Waals kuvvetlerini azaltarak yeniden istiflenmelerini engelleyebilir. Ayrıca, geniş, elastik ve yüksek iletkenliğe sahip grafen, kompozitin elektrik iletkenliğini arttırır ve döngü sırasında elektrot malzemelerinin hacim genişlemesini tamponlar. LIB'lere ve Li-S pillere benzer şekilde, grafenin işlevselleştirilmesi ve katkısı, SIB'lerin kapasitesini ve döngü kararlılığını daha da artırır. rGO nanosheets ayrıca 40 mAg ^{− 1} akım yoğunluğunda 174.3 mAh g ^{− 1}'e kadar geri dönüşümlü kapasite sağlayan Na iyonları için mükemmel konakçı materyali olarak bulunur.

Şarj Edilebilir Pillerdeki Grafenin Önemi Nedir?

Enerji endüstrisindeki acil ihtiyaç, bilim insanlarını yeni yöntemler geliştirmeye teşvik ediyor. Hiç şüphe yok ki, şarj edilebilir piller sürekli büyüyen enerji sistemlerinin ayrılmaz bir parçasıdır. Bu sistemlerde en önemli şarj edilebilir piller Li-ion piller, Li-S piller ve Na-ion pillerdir. Bilim adamları bu pillerin geliştirilmesi için grafen kullanıyorlar. Grafenin 3D yapısı, yüksek iletken doğası ve yüksek yüzey alanı nedeniyle bir elektron iletken ağı sağlar. Artan elektron iletkenliği sonuç olarak pillerin hız kapasitesini ve döngü kararlılığını artırır.

Nanoteknoloji ve Enerji hakkında bilgi almak için blog yazımızı ziyaret edin.

Sonuç

Şimdiye kadar ticari olarak Lityum-İyon pillerinin hakimiyeti Lityum'un maliyeti ve hammadde kaynaklarının sınırlılığı üzerine alternatif çözümler geliştirilmesi için bilimsel ve endüstriyel çalışmalar devam etmektedir. Son dönemlerde de benzersiz özellikleri sayesinde Grafen, Grafen Oksit ve İndirgenmiş Grafen Oksit türevleri bu gelişmelerin yıldızı olmuştur ve olmaya devam edecektir.

Daha fazlası için blog yazılarımızı buradan inceleyebilirsiniz.

Referanslar

1. Al Hassan, M. R., Sen, A., Zaman, T., & Mostari, M. S. (2019). Emergence of graphene as a promising anode material for rechargeable batteries: A review. Materials today chemistry, 11, 225-243.

2. Kucinskis, G., Bajars, G., & Kleperis, J. (2013). Graphene in lithium ion battery cathode materials: A review. Journal of Power Sources, 240, 66-79.

3. Zhang, Y., Gao, Z., Song, N., He, J., & Li, X. (2018). Graphene and its derivatives in lithium–sulfur batteries. Materials today energy, 9, 319-335.