Pil Kaplama Teknolojilerinde Nanomalzemelerin Rolü - Nanografi

Nanomalzemeler, nanometre ölçeğindeki boyutlara sahip malzemelerdir. Bu küçük boyutları sayesinde yüksek yüzey alanlarına sahiptirler ve bu özellikleri nedeniyle 'nano' ismini taşırlar.

Mevcut PVD ve CVD, mikrokristalin kaplamaların hazırlanmasına yönelik işlemlerde faydalıdır çünkü nanoyapılı kaplamaların üretimi için çok faydalıdır. Pil teknolojisinde daha fazla araştırma yapmak için ana itici güçler, mümkün olan en yüksek yüzey alanına sahip uygun elektrot malzemelerini bulmaktır. Yüksek yüzey alanı, şarjın serbest akışına izin verir, bu da daha kısa deşarj/şarj döngülerine ve daha yüksek kapasiteye yol açar. Nanoyapılı malzemeler, elektrolit malzemenin yüzey alanında büyük bir artış sağlar ve ayrıca jellerin veya seramiğin iletkenliği, nanopartiküller tarafından, bunların sıvı elektrolitlerin yerini almasına izin verecek ve kısa devre olasılığını azaltacak veya ortadan kaldıracak şekilde yeterince artırılabilir. Ürünlerimiz hakkında daha fazla bilgi edinmek ve batarya performansınızı optimize etmek için bizimle iletişime geçin.

Giriş

Nanomalzemeler, nanometrik ölçekte mevcut olan malzemelerdir; bu, her iki boyutta da nm'nin altında olduğu anlamına gelir. Nanomateryallerin gösterdiği fiziksel özellikler, tekdüzelik, iletkenlik veya bu nanoparçacıkları bilim ve biyoloji alanlarında çok arzu edilen optik özelliklerdir. Nanomalzemeler sıradan bir mikroskopla görülemeyecek kadar küçüktür ve bu malzemeleri görüntülemek için bunun yerine elektron mikroskobu kullanılır. Bu materyaller doğada büyük ölçekte bulunur ve genellikle biyoloji, jeoloji, fizik ve kimya gibi bilimin çeşitli alanlarında çalışmaya ilgi duyar. Dökme malzemeler ile atomik veya moleküler yapılar arasındaki geçiş noktalarında bulunurlar ve bu nedenle hiçbir ölçekte görülmeyen bir olay gösterirler.

Nanomateryaller atmosferik kirlilikte büyük rol oynuyor ve boya, metal, seramik, manyetik parçacıklar ve plastik gibi bazı endüstriyel ürünlerde çok ihtiyaç duyulan bir bileşen haline geliyor. Nanomalzemenin doğal üretimi çeşitli kozmolojik, biyolojik, jeolojik ve meteorolojik süreçlerle gerçekleştirilmektedir. Nanomateryal aralığı aynı şekilde atmosferik toz parçacıkları aralığıdır, çünkü hala yılda 1000 ton hızla Dünya'ya düşen gezegenler arası toz kütlesine göre değil, sayıca dikkat çekici bir kesirdir.

Nanoyapılı Malzemeler 

Nanoyapılı malzemelerin boyutları 1-100 nm arasında olduğu bilinmektedir. Bu malzemeler, mükemmel mekanik ve fiziksel özellikler sergilerler. Bu özellikler, bu malzemelerin tane boyutlarına ve aynı zamanda çok yüksek yüzey alanına sahip olmalarından kaynaklanır. Son araştırmalar, nano ölçekte malzemelerin sentezlenmesi konusunda önemli ilerlemelere yol açmıştır. İlk başta, araştırmacılar sadece nanomalzemelerin sentezine odaklanmışlardı, ancak şimdi bu malzemelerden faydalı yapılar üretmek için sentezleme yöntemlerine daha fazla odaklanmışlardır. Bu tür yapılar, kaplamaların aşınma ve korozyon direncini artırmak gibi alanlarda son derece kullanışlıdır.

Nanomalzemelerin Özellikleri

Nanomalzemeler, hem kimyasal hem de fiziksel açıdan çeşitli özelliklere sahiptir. Elektronik ve optik kimyasal özellikler gibi birçok farklı özellikleri bulunmaktadır, ve her biri diğerinden farklıdır. Malzemeler nano boyutta olduğunda, özelliklerini belirlemek daha büyük boyutlarda oldukları zamanlara kıyasla daha zor hale gelir. Bu, hem kimyasal hem de fiziksel özellikleri içerir. Bu malzemelerin özellikleri, belirli kimyasalların ve bu kimyasalların kombinasyonlarının varlığına bağlı olarak değişebilir. Bu malzemelerin temel özellikleri, yaklaşık sabit boyutlarda belirli bir şekle sahip olmaları, yüzey özelliklerine sahip olmaları ve ayrıca bir iç yapıya sahip olmalarıdır.

Nanomateryallerin gösterdiği fiziksel özellikler arasında tek düzelik, iletkenlik veya bu nanoparçacıkları bilim ve biyoloji alanlarında çok arzu edilen optik özellikler yer almaktadır. Nanomalzemeler ayrıca emülsiyonlar (sıvılar içinde sıvılar), süspansiyonlar (sıvılar içinde katılar) ve aerosoller (havada sıvılar veya katılar) gibi farklı çevresel koşullarda da bulunabilirler.

Şekil 1: Nanopartiküllerin özellikleri.

Pilin Önemi

Elektrik enerjisini depolayıp kimyasal enerjiye dönüştüren cihazlara pil denir. Ancak ihtiyaç duyulduğunda kimyasal enerji zamanla yavaş yavaş serbest bırakılır. Bu, şarj edilebilir pillerde gerçekleşen, pilin birden çok kez yeniden kullanılmasına olanak sağlayan, geri dönüşümlü bir kimyasal işlemdir . Piller, tıbbi cihazlar, ulaşım, elektrikli aletler, taşınabilir elektronikler ve aralıklı yenilenebilir kaynakların (gelgit, güneş, rüzgar vb.) ürettiği elektrik depolama gibi birçok teknolojik alanda önemli cihazlardır. Farklı malzeme katmanları pili oluşturur, bu nedenle pil elektrokimyasal enerjiyi depolayabilir; pil en azından bir elektrolit, bir katot (negatif elektrolit) ve bir anottan (pozitif elektrot) oluşur.

Nanoteknoloji ile Pil Kaplama

Pil Kaplama Malzemeleri

Elektrolit Lityum Heksaflorofosfat (LiPF6)

Elektrolit olarak kullanılan Elektrolit Lityum Heksaflorofosfat, beyaz renkte kristal bir toz halindedir. Bu elektrolit, lityum iyon pillerinde (LIB) önemli bir rol oynar, çünkü pilin iki elektrodu arasında lityum iyonlarını taşımak için bir ortam görevi görür. Yüksek saflıkta ve akü sınıfı elektrolit çözeltileri, lityum iyon pil performansı için hayati bir öneme sahiptir.

Genellikle kullanılan LIB elektrolitleri, lityum iyon tuzlarının, düşük maliyetli ve yüksek saflıklı çözeltiler halinde sıvı olmayan solventlerde, örneğin LiPF6 gibi lityum iyon tuzlarının çeşitli solvent karışımları veya alkil karbonatlar gibi maddeler kullanılarak türetilir.

Elektrolit çözeltisi, genellikle bir litre solvent içinde EC + DMC + DEC gibi solventlerin belirli bir oranda karıştırılmasıyla hazırlanır ve bir mol tuz içerir. Maksimum voltaj sıklıkla 4,5 V olarak kabul edilir. Bu elektrolit çözeltisi, paslanmaz çelikten yapılmış bir kap içinde saklanır veya kullanılır.

Bu elektrolit çözeltisi, lityum iyon pillerinde güvenilir performans sağlamak için kritik bir bileşendir ve hassas bir şekilde hazırlanmalı ve saklanmalıdır.

Lityum Kobalt Oksit (LiCoO2)

Lityum Kobalt Oksit (LiCoO2), 0,2~0,5 m2/g spesifik alana ve 2,8 g/cm3'ün üzerinde musluk yoğunluğuna sahip, siyah görünümlü, kristalimsi bir tozdur. Lityum Kobalt Oksit'in (LiCoO2) doğası baziktir ve pH'ı 9 ila 11 arasındadır. 3,0 V ila 4,3 V arasında değişen voltaj seviyesine sahip bir hücrenin hücre para kapasitesi, nem seviyesi %0,1'den az olan 151mAh/g'den fazladır.

Lityum Demir Fosfat (LiFePO4)

Lityum Demir Fosfat, asit bazlı ve Lityum-iyon pil için katotları sentezlemek için kullanılan toz formunda bir malzemedir. 1.132 g/cm3 musluk yoğunluğuna ve 114.9 Ohm.cm dirence sahiptir. Malzemeler, pH 8,92'de hafif bazik yapıya sahip %1,29 karbon içerir. Lityum Demir Fosfattan yapılan elektrotlar, 155,5 mAh/g'lik ilk kapasitede %97'nin üzerinde deşarj verimliliğine sahiptir.

 Lityum iyon piller ile grafen pilleri karşılaştıran blog yazımızı okumak için Blografi'yi ziyaret edin.

Lityum Manganez Oksit (LiMn2O4)

Bu aynı zamanda Nikel, Demir, Sodyum, Bakır gibi farklı metallerden ve nem içeriği %0,2'den az olan 25 ppb'den az metal safsızlığından oluşan piller için katotun sentezine yönelik toz formunda bir malzemedir. Lityum Manganez Oksit, 400oC erime noktasına, 0,4 ~ 1,0 m2/g özgül alana, standart oda sıcaklığında musluk yoğunluğu 4 – 5 arasında değişen bir değere sahiptir ve suda çözünmez.

Lityum Nikel Manganez Kobalt Oksit (LiNiCoMnO2)

Lityum Nikel Manganez Kobalt Oksit (LiNiCoMnO2) , fiziksel olarak toz haline getirilmiş bu malzeme, belirli bir oranda birçok metalden oluşur. Bu metaller arasında Nikel, Manganez, Kobalt, Lityum, Sodyum, Demir, Bakır ve bir miktar nem veya su bulunur. %87 verimle 154,1 ~ 154,8 mAh/g ilk deşarj kapasitesine sahiptir.

N-Metil-2-Pirolidone (NMP)

Görünüşe göre, N-Metil-2-Pirolidonun molar kütlesi 99,13 g/mol olan renksiz şeffaf bir sıvıdır. -24 oC erime noktasına sahiptir ve 202 oC'de 1013 hPa ile kaynar. N-Metil-2-Pirolidonun standart oda sıcaklığında parlama noktası 91 oC, tutuşma sıcaklığı 245 oC ve buhar basıncı 0,32 hPa'dır. Su, eter, alkol, ester, aromatik hidrokarbonlar, keton ve halojenlenmiş hidrokarbonlarda çözünür.

Nikel Köpük

Nikel köpük, inç başına 80 – 110 gözenekten oluşan %95 gözenekliliğe sahip olağanüstü bir korozyon önleyici malzemedir. Uzunluğu ve genişliği her iki tarafta da bir dereceye kadar geniştir. Bunlar, uzun süreli kullanım ve daha az bakım gerektiren katot yapmak için kullanılır.

PVDF Bağlayıcı

PVDF (Poliviniliden florür), lityum iyon pillerinin üretiminde sıkça kullanılan bir bağlayıcı malzemedir. Bu bağlayıcı, aktif malzemeleri elektrotlarda tutmaya ve toplayıcılarla iyi bir temas sağlamaya yardımcı olur. Aynı zamanda ayırıcı tasarımında kullanıldığında, pilin performansını artırabilir. Bu nedenle PVDF, lityum iyon pillerin daha iyi performans ve uzun ömür sunmasına katkı sağlayan önemli bir bileşen olarak kabul edilir.

TIMCAL SUPER C45 ve C65 İletken Karbon Siyahı

C45 ve C65 İletken Karbon Siyahı, içerik oranlarındaki farklılıklar nedeniyle özelliklerinde farklılıklar gösterir. Bu farklılık, malzemelerin özelliklerinde ve son ürünlerde bazı farklılıklara yol açar.

Örneğin, uçucu içerikleri farklıdır ve toluen ekstraktları da ayrılır. Kül içeriği bakımından da iki tür karbon siyahı arasında farklılıklar vardır.

Ayrıca, farklı mikron boyutlarına sahip taneler içerirler ve nem içerikleri de birbirinden farklıdır. Yoğunlukları, kükürt içerikleri ve metal elementleri içerikleri de farklı değerlere sahiptir.

TIMCAL Super P İletken Karbon Siyahı

İletken karbon siyahının en dereceli seviyesi olan Super P'dir. Esas olarak UV'ye, kauçuk takviyesine, siyah pigmente vb. karşı stabilizatör olarak kullanılır. 160 kg/m3 yüksek yoğunluğa sahiptir.

Tartışıldığı gibi, bir pil için katotun sentezi için seçilebilecek çok fazla seçenek vardır. Tüm malzemeler farklı özelliklere sahiptir ve dolayısıyla katodun yapımında farklı malzemeler kullanıldığında farklı özellikler ortaya çıkabilir. Piller için katot yapımında kullanılacak malzemelerin ideal özellikleri de tanımlanmış ve açıklanmıştır. Akünün ihtiyacına, voltajına ve yüküne göre ayar yapılabilir.

Li-ion pillerin enerji yoğunluğunu artırmak amacıyla Nanokompozit bazlı katotlar tasarlandı. Bu piller, yapay retina ve gözün gücüne implante edilebilecek kadar küçük boyutlara sahiptir. Nanopartikül (Nanofosfat) elektrotlara sahip Li-ion piller, elektrikli otomobil performansını artırmanın yanı sıra güvenlik gereksinimlerini de karşılar. Ayrıca, nano yapılı lityum titanattan hazırlanan Li-ion pillerin elektrotları, donma noktasının altındaki sıcaklıklarda deşarj/şarj kapasitesini büyük ölçüde artırır ve aynı zamanda pilin termal kaçaklardan korunduğu üst sıcaklık sınırını da artırır. Li-ion pillerin ömrü ve deşarj/şarj oranları, pil anotları için silikon nanopartiküller kullanılarak titanyum disilisit kaplama sayesinde iyileştirilir.

Günümüzde en iyi anot malzemesi, yüksek iletkenliği nedeniyle grafit olarak kabul edilir; bu, toplanan elektronların devredeki metal tellere kolayca aktarılmasını sağlar. Ancak grafit, şarj sırasında lityum iyonlarını toplamada sınırlıdır. Bir lityum iyonunu tutmak için grafit, altı karbon atomunu kullanır. Bu zayıf kavrama, elektrodun lityumu tutma ve pilin güç depolama kapasitesini sınırlar.

Silikon, daha iyi sonuçlar elde edilmesini sağlayabilir. Her bir silikon atomu dört lityum iyonu ile bağlantı kurabilir. Temelde, silikondan yapılmış bir anot, grafit ile karşılaştırıldığında on kat daha fazla enerji depolayabilir. Elektrokimyacılar bu büyük kapasiteden yararlanmak için uzun yıllardır çalışmaktadır.

Anotlar kolayca silikon parçalarından üretilebilir; zorluk, tüm anotların bu şişmeye dayanamamasıdır. Anot malzemesi, pil şarj edildiğinde %300 oranında şişer ve lityum iyonlarının silikon atomlarına bağlanmasına izin verir. Ardından, pilin deşarj döngüsü sırasında lityum iyonları dışarı çıktığında anot hızla tekrar küçülür. Birkaç döngüden sonra, silikondan yapılan elektrotlar kırılır ve daha sonra izole edilmiş küçük parçalara ayrılır. Pil ve anot parçalanır ve bozulur.

Araştırmacılar, nanomateryallerin özellikle yüzeylerindeki atomların davranışı nedeniyle geleneksel malzemelerden farklı özelliklere sahip olduğunu keşfettiler. Bu keşif, lityum iyon pil anotlarının geliştirilmesinde büyük bir adım oldu. Silikon nanoteller kullanarak, lityum iyonlarının depolanmasını ve serbest bırakılmasını daha verimli bir şekilde gerçekleştirebildiler. Ayrıca, silikon nanopartiküllerin karbon kabuklarla kaplanması, pilin ömrünü artırarak daha dayanıklı pil anotları üretilmesini sağladı. Bu gelişmeler, yeni nesil pil teknolojilerinin kapasite ve dayanıklılık açısından büyük bir ilerleme kaydetmesine olanak sağladı.

Sonuç 

Bu makale boyutları 1-100 nm olan nanoyapılı malzemelerin mükemmel mekanik ve fiziksel özelliklere sahip olduğunu doğrulamaktadır. Başlangıçta, nanomalzemelerin sentezi üzerine odaklanan araştırmacılar, artık nanomateryallerin sentezlenmesinin ötesine geçerek, bu malzemelerden yararlı yapılar üretme konusuna daha fazla dikkat etmektedirler. Ayrıca, bu nanomateryallerin kaplamalarının aşınma ve korozyon direncinin yüksek olduğu bulunmuş ve bu özelliklerin endüstriyel uygulamalarda son derece faydalı olduğu görülmüştür. Bu sonuçlar, nanoyapılı malzemelerin gelecekte daha geniş bir kullanım alanı bulabileceğini göstermektedir. Gelecekteki çalışmalar, bu malzemelerin daha fazla geliştirilmesi ve endüstriyel uygulamalarda kullanılması için potansiyel sağlayabilir.

Nanoyapılı malzemelerle güçlendirilmiş pil malzemeleri için hemen ürünlerimizi inceleyin ve enerji depolama alanında geleceğin teknolojisine katılın!

Kaynakça

How to build a better battery through nanotechnology | Science | AAAS. (n.d.). Retrieved February 12, 2024, from https://www.science.org/content/article/how-build-better-battery-through-nanotechnology-rev2

Lityum İyon Pillerin ve Grafen Pillerin Geleceği - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved February 12, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/lityum-iyon-pillerin-ve-grafen-pillerin-gelecegi/

Nanotechnology in Batteries. (n.d.). Retrieved February 12, 2024, from https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=3042

Nanotechnology in Batteries (Nano Battery). (n.d.). Retrieved February 12, 2024, from https://www.understandingnano.com/batteries.html

Stella, B., Arpicco, S., Gil, J., Özdemir, O., & Kopac, T. (2022). Recent Progress on the Applications of Nanomaterials and Nano-Characterization Techniques in Endodontics: A Review. Materials 2022, Vol. 15, Page 5109, 15(15), 5109. https://doi.org/10.3390/MA15155109