Klordan Destekli Lityum-Sülfür Hücrelerde 1.700 Wh/kg Hedefi

Lityum-sülfür kimyası yıllardır “umut vadediyor ama pratikte işe yaramıyor” rafında bekliyor. Sülfür ucuz ve bol; teorik olarak da bugünkü lityum-iyon paketlerde kullanılan nikel-kobalt katotlardan kilogram başına çok daha fazla yük depolayabiliyor. Ancak bu kimyayı anlamlı sayıda şarj döngüsü boyunca ayakta tutmayı bugüne kadar kimse başaramadı. ABD’den iki üniversitenin ortak araştırması, sülfürden normalde yaptığından daha fazla iş istemeyi önererek bu temel sınırların birini aşmayı vaat ediyor.

Tennessee’deki Vanderbilt Üniversitesi ile Maryland Üniversitesi’nden gelen ekip, bulgularını Nature Energy dergisinde yayımladı. Yaklaşım görünüşte basit: Reaksiyona klor eklenerek her sülfür atomunun alışıldığı gibi iki elektron değil, üç elektron transfer etmesi sağlanıyor. Bu ek elektron transferi, hücrenin ortalama çalışma voltajını yaklaşık 2,05 volttan 2,54 volta çıkarırken sülfürün depolayabildiği yük miktarını da artırıyor; laboratuvar ölçümlerinde kaydedilen artış yüzde 58 civarında.

İki etkinin birleşmesi manşet rakamını doğuruyor. Deneysel test hücresinde tek bir kilogram sülfür, 1.700 watt-saatin üzerinde enerji depolayabildi. Ancak bu noktaya gelmek yalnızca karışıma bir halojen eklemekle olmadı. Klor doğası gereği agresif; deşarj sırasında oluşan sülfür-klor ara ürünü çözünerek lityum-metal anoda doğru göç etme eğilimi gösteriyor ve bu da hücreyi hızla öldürür. Bunu engellemek için grup, kloru kimyasal olarak aktif tutarken bu göçü önleyen bir elektroliti moleküler simülasyonlarla tasarladı. Ardından çeşitli spektroskopi yöntemleriyle sülfürün şarj ve deşarj boyunca bu yeni durumdan gerçekten tekrar tekrar geçtiği doğrulandı.

Dayanıklılık hâlâ açık bir soru. Deney için üretilen poşet hücre, 100 şarj döngüsünün ardından başlangıç kapasitesinin yüzde 78’ini korudu — umut verici bir ilk sonuç, fakat otomotiv kullanımının gerektirdiği döngülerin çok gerisinde. Prototip ayrıca lityum-metal anoda dayanıyor ve seri üretim bir tasarımın karşılayamayacağı kadar fazla elektrolit tüketiyor; her ikisi de rakamları olduğundan iyi gösteriyor. Yalnızca elektrot değil, tüm temel bileşenler hesaba katıldığında araştırmacılar hücre düzeyinde 477 Wh/kg’lik bir gravimetrik enerji yoğunluğu öngörüyor. Bu, benzer geleneksel lityum-sülfür sistemlere kıyasla yaklaşık yüzde 37 daha yüksek bir değer; ancak ölçülmüş bir paket değeri değil, hâlâ bir projeksiyon.

Vanderbilt’ta Kimya ve Kimya Mühendisliği Profesörü ve çalışmanın ortak sorumlu yazarlarından De-en Jiang, “Lityum-sülfür piller hakkında geleneksel düşünme biçimi, sülfürün redoks kapasitesinin bir kısmını kullanılmadan bırakıyor” dedi. “Sülfürün redoks yeteneğini genişletip daha fazla enerji depolamak için kullanabilir miyiz diye bakmak istedik.” Bu kullanılmamış kapasitenin bir gün bir aracın zeminine ulaşıp ulaşmayacağı hâlâ uzak bir ihtimal; ama sonuç, sülfür kimyasına yeni bir mekanizma kazandırarak ona bir başka küçük adım yerine taze bir dayanak sunuyor.