Piller, akıllı saatlerden otomobillere kadar hayatımızın her alanında yer alan vazgeçilmez nesnelerdir. Ancak, aşırı sıcak veya soğuk havalarda piller ya çalışmaz ya da pilin ömrü ciddi derecede kısalır. Pek hayatımızda bu kadar önemli yer kaplayan pillerin aşırı sıcak ve soğuklarda çalışabilmesi için ne gerekir? Haydi bu çalışmalardan birine yakından bakalım.
California San Diego Üniversitesi’ndeki mühendisler, hem çok fazla enerji depolayan hem de dondurucu soğuk ve kavurucu sıcaklarda iyi performans gösteren lityum iyon piller geliştirmiştir. Araştırmacılar, yalnızca geniş bir sıcaklık aralığında sağlam kalabilen değil, aynı zamanda yüksek enerjili anot ve katot ile uyumlu bir elektrolit geliştirmiştir. Yapılan testlerde piller, enerji kapasitelerinin -40 °C'de %87,5’ini ve 50 °C'de %115,9'unu koruyabilmiştir. Ayrıca bu sıcaklıklarda sırasıyla %98,2 ve %98,7 gibi yüksek Coulombic verimlilikleri oluşmuştur, bu da pillerin çalışmayı durdurmadan önce daha fazla şarj ve deşarj döngüsüne girebileceği anlamına gelmektedir.
Nanomühendislik profesörü Chen ve meslektaşlarının geliştirdiği pillerin hem soğuğa hem de sıcağa dayanıklı olmasını sağlayan elektrolitleri lityum tuzu ile karıştırılmış sıvı bir dibütil eter çözeltisinden yapılmıştır. Dibütil eterin ilginç bir özelliği, moleküllerinin lityum iyonlarına zayıf bir şekilde bağlanmasıdır. Başka bir deyişle, elektrolit molekülleri, pil çalışırken lityum iyonlarını kolayca bırakabilir. Araştırmacıların daha önce yaptıkları bir çalışmada keşfettiği bu zayıf moleküler etkileşim, sıfırın altındaki sıcaklıklarda pil performansını iyileştirebilir. Ayrıca dibütil eter, yüksek sıcaklıklarda sıvı kaldığı için ısıyı kolayca alabilmektedir, çünkü kaynama noktası: 141°C’dir.
Bu elektrolitin özelliği, lityum metalden yapılmış bir anot ve kükürtten yapılmış bir katota sahip bir tür şarj edilebilir pil olan lityum-kükürt pil ile uyumlu olmasıdır. Lityum-kükürt piller, hem daha yüksek enerji yoğunluğuna sahiptirler hem de maliyetleri düşüktür. Bu piller, günümüzün lityum iyon pillerinden kilogram başına iki kata kadar daha fazla enerji depolayabilirler, yani pil paketinin ağırlığında herhangi bir artış olmadan elektrikli araçların menzili ikiye katlanabilir.
Ayrıca, kükürt, geleneksel lityum iyon pil katotlarında kullanılan kobaltta göre kaynak açısından daha ulaşılabilirdir. Ancak, hem katotun hem de anotun süper reaktif olması lityum-kükürt pillerin dezavantajıdır. Kükürt katotları o kadar reaktiftir ki pilin çalışması sırasında çözünür. Bu sorun yüksek sıcaklıklarda daha da kötüleşir ve lityum metal anotlar, pilin parçalarını delip kısa devreye neden olabilen dendrit adı verilen iğne benzeri yapılar oluştururlar. Sonuç olarak, lityum kükürt piller yalnızca onlarca döngüye kadar dayanabilmektedir.
UC San Diego ekibi tarafından geliştirilen dibütil eter elektrolit ise, yüksek ve düşük sıcaklıklarda bile bu sorunları önleyebilmiştir. Bu elektrolit ile geliştirilen pillerin, tipik bir lityum-kükürt pilden çok daha uzun çevrim ömrüne sahip olduğu görülmüştür.
UC San Diego Jacobs Mühendislik Okulunda nanomühendislik profesörü ve çalışmanın kıdemli yazarı Zheng Chen, yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir pil elde etmek için genellikle çok sert, karmaşık kimya kullanmanız gerektiğini; yüksek enerjinin, daha fazla reaksiyonun gerçekleştiği anlamına geldiğini ve bunun da daha az stabilite, daha fazla bozulmaya neden olduğunu ve yüksek enerjili bir pil yapmanın başlı başına zor bir iş olduğunu; bunu geniş bir sıcaklık aralığında yapmaya çalışmanın çok daha da zor olduğunu belirtmiştir.
Bu tür piller, soğuk iklimlerde elektrikli araçların tek bir şarjla daha uzağa gitmesini sağlayabilir ve araçların akü paketlerinin sıcak iklimlerde aşırı ısınmasını önlemek için soğutma sistemleri ihtiyacını da azaltabilir. Ayrıca
uç iklimli bölgelerde elektronik cihazların kapanmasını engelleyerek daha geniş bir alanda kamera veya telefon gibi hassas cihazların kullanımını sağlayabilir.
