Çinli bilim insanları lityum bataryalarda uzun süredir aşılamayan elektrolit kaynaklı kinetik sınırlamaları ortadan kaldıran yeni bir kimyasal yaklaşım geliştirdi. Florlanmış hidrokarbon çözücülere dayalı tasarlanan yeni nesil elektrolit sistemi sayesinde lityum bataryalarda 700 watt-saat/kilogram (Wh/kg) enerji yoğunluğuna ulaşıldı. Bu değer, mevcut ticari lityum batarya teknolojilerinin oldukça üzerine çıkıyor. Halihazırda ticari lityum bataryalarda kullanılan elektrolitler çoğunlukla lityum tuzları ve karbonat ester bazlı çözücülerden oluşuyor. Ancak bu sistemin önemli dezavantajları bulunuyor. Karbonat ester çözücülerin düşük ıslanabilirlik özellikleri nedeniyle yüksek miktarda elektrolit kullanılması gerekiyor. Bu durum bataryanın toplam enerji yoğunluğunu sınırlayan temel faktörlerden biri olarak öne çıkıyor. Ayrıca lityum ile oksijen arasındaki güçlü koordinasyon bağları, elektrot-elektrolit arayüzünde yük transferini yavaşlatıyor. Sonuç olarak düşük sıcaklık performansı ciddi şekilde düşüyor ve geleneksel lityum bataryalar -50°C’nin altındaki koşullarda verimli çalışmakta zorlanıyor.
Yeni yöntemle sınırlamalar aşıldı
Araştırma ekibi, bu sınırlamaları aşmak için karbonat esterlerin yerine florlanmış hidrokarbon çözücü molekülleri tasarladı ve sentezledi. Böylece klasik lityum-oksijen koordinasyon modeli terk edilerek lityum-flor etkileşimine dayalı yeni bir çözünme mekanizması geliştirildi. Yeni çözücü sistemi, lityum tuzlarının etkin biçimde çözünmesini sağlarken daha iyi ıslanabilirlik sunuyor. Bu sayede ihtiyaç duyulan elektrolit miktarı önemli ölçüde azaltılıyor. Öte yandan lityum ile flor atomları arasındaki daha zayıf koordinasyon bağı, özellikle düşük sıcaklıklarda daha hızlı yük transferine olanak tanıyor.
Geliştirilen yeni elektrolit sistemiyle üretilen lityum bataryalar, oda sıcaklığında 700 Wh/kg gibi son derece yüksek bir özgül enerji değerine ulaştı. Daha dikkat çekici olan ise düşük sıcaklık performansı oldu. Bataryalar, -50°C ortam koşullarında dahi yaklaşık 400 Wh/kg enerji yoğunluğunu korumayı başardı.
Bu değerler mevcut bataryaların oldukça üzerinde. Örneğin, CATL tarafından geliştirilen Qilin isimli lityum batarya sisteminde enerji yoğunluğu 250-255 Wh/kg aralığında bulunuyor ve bu değer sektörde uzun süredir pratik üst sınır olarak değerlendiriliyor. Hatta bu çeyrek içinde ticari bir araçta kullanılacağı söylenen ilk seri üretim katı hal batarya dahi 400 Wh/kg seviyesini hedefliyor.
