Fransız laboratuvarı, yoğun batarya elektrolitlerinde lityumun hareketini açıklayan çalışmayı duyurdu

Fransa’daki Laboratoire Léon Brillouin, sıvı çok viskoz hale geldiğinde bile tuz içinde su elektrolitlerinin iyonları nasıl etkili taşıyabildiğini inceleyen bir çalışmayı 22 Ekim’de öne çıkardı. Célia Doublet ve çalışma arkadaşları, yoğun sulu lityum bis(triflorometansülfonil)imid, yani LiTFSI çözeltilerini farklı deney teknikleriyle araştırdı. Makale Journal of Physics: Energy’de 8 Ekim’de yayımlandı; sonraki laboratuvar duyurusu yeni üretilmiş bir bataryayı değil, bu araştırmayı anlatıyor.

Deneylerde, kilogram su başına 0,5 ile 21 mol tuz arasında değişen derişimler incelendi. Bu aralıkta derişim yükseldiğinde su ve lityumun öz yayınım katsayıları yaklaşık 18 kat azalırken TFSI anyonlarının yayınımı 35 kattan fazla düştü. Karşılaştırma moleküler hareketliliğin değişimini gösteriyor; batarya şarj hızı veya enerji kapasitesindeki bir artışı ifade etmiyor.

Bu fark, çözeltideki bütün türlerin sıvının direncinden aynı biçimde etkilenmediğine işaret ediyor. Araştırmacılar ölçümleri, anyon bakımından zengin bir yapı içinde geçici olarak oluşan su bakımından zengin bölgelerin kanıtı olarak yorumluyor. Su bu küçük bölgelerde hızlı hareket edebiliyor ve bölgeler arasında geçiş yapabiliyor. Zamanla yeniden düzenlenen yapı, toplam sıvı viskozitesi artarken küçük, çözücü molekülleriyle çevrili türlerin hareketli kalabilmesini açıklayan bir mekanizma sunuyor.

Ekip, viskozite ve iletkenlik ölçümlerini darbeli alan gradyanlı nükleer manyetik rezonans ve yarı esnek nötron saçılmasıyla birleştirdi. NMR daha uzun mesafelerdeki hareketleri, nötron ölçümleri ise çok daha kısa hareketleri izledi. Fransa’daki Institut Laue–Langevin’de SHARPER, IN16B ve IN13, İsviçre’deki Paul Scherrer Enstitüsü’nde FOCUS kullanıldı. Analiz bütün hareketleri tek süreç saymak yerine suyun uzun mesafeli öz yayınımını, yerel öteleme hareketini ve moleküler dönmesini ayırdı.

LiTFSI kolayca nem çektiği için örnek hazırlama yöntemin önemli bir parçasıydı. Tuz gece boyunca vakum altında 120°C’de kurutuldu, sudaki çözünmüş gaz argonla giderildi ve çözeltiler argonlu eldivenli kabinde hazırlandı. Yüksek sıcaklık NMR ölçümleri 25–45°C’yi kapsadı. Viskozite ölçümleri genel olarak 5–50°C arasında yapıldı; en yoğun çözeltilerde düşük sıcaklıkta tuz çökelmesi sınırlama oluşturdu. Bunlar deney koşullarıdır; ticari bataryalar için önerilen çalışma sınırları değildir.

Çalışma, 1 volt kutuplama uygulanmış ve uygulanmamış nötron ölçümlerini de karşılaştırdı; bu düzenekte incelenen su dinamiklerinde saptanabilir bir değişiklik bulunmadı. Yazarlar, deneyin ağırlıkla elektrolitin hacimsel bölümünü ölçtüğünü, çok ince ara yüz bölgesinin katkısının ayırt edilemeyecek kadar küçük kaldığını belirtiyor. Sonuç, elektrik alanların elektrot ara yüzlerini veya başka deney koşullarını etkilemediğini göstermiyor.

Yazarlara göre elde edilen dinamik parametreler, makine öğrenmesiyle desteklenenler dahil moleküler dinamik simülasyonlarını sınırlandırmaya yardımcı olabilir. Katkı, belirli bir elektrolit sistemindeki taşınıma ilişkin deneysel olarak desteklenmiş bir açıklamadır. Malzeme tasarımına ve modellemeye bilgi sağlar; tam hücre performansı, çevrim dayanıklılığı, üretim maliyeti ve üretim ölçeği için ayrıca kanıt gerekir.