Florür İyon Piller

Günümüz pillerinin çoğunun hammaddesini oluşturan kimyasal element olan lityum, yakında Periyodik Tablodaki zıt kutbu olan florür tarafından tahtından edilebilir. Bu İki element, piyasada halen lityum iyon pillerle mümkün olandan daha fazla mesafe kat etmesi gereken elektrikli otomobiller gibi elektronik cihazların şarj ömrünü uzatmaya yardımcı olmak için rekabet girişecek. Florür iyon piller (FIB'ler), mevcut lityum iyon pil teknolojilerine göre potansiyel olarak on kat daha yüksek enerji yoğunluğu vaat ediyor.

Florür İyon Pil Teknolojisi

Araştırmacılar, florür bazlı pilleri oda sıcaklığında çalışabilecek şekilde bir üstünlükle donatmaya bir adım daha yaklaştılar.Bu noktaya kadar florür, elektronik cihazlar için pratik olmayan yüksek sıcaklık (150 derecenin üzerinde) pillerinin yapımında kullanılıyordu.

Jet Propulsion Laboratory , California Institute of Technology (Caltech), Honda Research Institute, Inc. ve Lawrence Berkeley National Laboratory'den bir araştırma ekibi -aralarında şu anda Purdue Üniversitesi'nde yardımcı doçent olan bir Caltech doktora sonrası araştırmacısı da bulunuyor- teknolojiyi geliştirme sürecinde iki ABD patenti aldı ve bulgularını Science dergisinin 6 Aralık sayısında yayınladı .

Florür, iyonların pilin şarj edilmesi için aralarında hareket ettiği elektrotlarda daha yüksek enerji depolama potansiyeli nedeniyle uzun zamandır lityumun yerini alabilecek bir metal olarak gösterilmektedir.

Purdue Üniversitesi kimya mühendisliği yardımcı doçenti Brett Savoie, "Florür bazlı pil elektrotları, tipik lityum iyon elektrotlarına kıyasla her satıhta daha fazla iyon depolayabiliyor; bu da bu teknolojinin çok daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip olma potansiyeli taşıdığı anlamına geliyor" dedi.                                                                          

Lityum ve florür, yin-yang ilişkisi içindedir:

Lityum, Periyodik Tabloda yer alan tüm elementlerden en  elektropozitif olandır. Bu demektir ki elektron kaybetmeyi sever; Diğer yandan florür ise en elektronegatif elementtir ve yalnızca elektron almak ister.Lityuma istemediği elektronları vermek, yine florürden elektron almak enerjiyi depolamak anlamına gelir.                                                                                    

Honda Araştırma Enstitüsü Baş Bilim İnsanı ve makalenin ortak yazarlarından Dr. Christopher Brooks, "Florür iyon piller, halihazırda mevcut lityum pillere göre on kata kadar daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip, umut vadeden yeni bir pil kimyasıdır" dedi. "Li-ion pillerin aksine, florür iyon piller aşırı ısınma nedeniyle güvenlik riski oluşturmaz ve florür iyon piller için kaynak malzemelerin elde edilmesi, lityum ve kobaltın çıkarılma sürecine kıyasla çevreye çok daha düşük seviyede olumsuz etki eder."

Bir pil oluşturmak için, flor ve lityum gibi element iyonlarının, elektrotlar arasında hareket etmelerine ortam oluşturan bir çözelti durumundaki pil elektrolitine çözünmesi gerekir. Sorun şu ki, florür iyonları yalnızca katı elektrolitlere elverişli bir şekilde çözünebiliyor ve bu da kullanımlarını yüksek sıcaklık pilleriyle sınırlıyor.

Araştırmacılar, daha yüksek enerjili pillerin yapımında florürün oda sıcaklığında çözünmesine yardımcı olan BTFE adlı yeni bir molekül keşfetti.

BTFE molekülü

Florür bazlı pillerin oda sıcaklığında çalışabilmesi için, florür iyonlarının lityum iyonları gibi sıvı bir elektrolit içinde daha iyi çözünmesi gerekir.

Bu teknoloji gelecekte yüksek performansa sahip, anyon bazlı şarj edilebilir ilk pil türü sıfatıyla, katyon bazlı bir pil olan lityumun yerini alacak olabilir

Jet İtki Laboratuvarı'ndaki araştırmacılar, florürün oda sıcaklığında çözünmesini sağlayan, aslında BTFE isimli sentezlenmiş bir molekül olan sıvı bir elektrolit keşfettiler. Savoie, BTFE ve diğer ilgili çözücülerin florürü nasıl başarılı bir şekilde çözdüğünü simüle ederek bu keşfin yapılmasına yardımcı oldu.

BTFE,zıt moleküllerin birbirini çekmesinden ötürü florür ile güçlü bir biçimde etkileşime girmek üzere moleküle iki pozitif yüklü bölge kazandıracak şekilde düzenlenmiş çeşitli kimyasal gruplardan oluşur. Simülasyonlar yüklü bölgelerin BTFE moleküllerinin florürü çevrelemesine ve oda sıcaklığında çözmesine nasıl yol açtığını göstermiştir.

Savoie'nin simülasyonları ayrıca, BTFE'nin voltaj ve kararlılık aralığını genişleten "glime" molekülleri gibi diğer çözücülerin florür üzerinde test edilmesi için bir mekanizma da sağladı. Bu, pilin daha yüksek voltajlarda arızalanma olasılığının daha düşük olacağı anlamına gelir.

Florür bazlı pillerin performansını artırmanın bir sonraki adımı, katot ve anot olarak adlandırılan pozitif ve negatif elektrotların ömrünü uzatmaktır. Ekip, bakır katotun elektrolit içinde çözünmemesi için onu kararlı hale ederek bu konuda zaten bazı ilerlemeler kaydetti.

Pil testleri devam ediyor. Çalışma, Caltech'teki Resnick Sürdürülebilirlik Enstitüsü ve Moleküler Malzeme Araştırma Merkezi, Ulusal Bilim Vakfı, Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi ve Honda Araştırma Enstitüsü tarafından desteklenmiştir.

Bu araştırma aynı zamanda Purdue'nun 150. yıldönümü kutlamaları kapsamında sürdürülebilir bir ekonomi ve gezegen için yaptığı küresel ilerlemeleri vurgulayan "Dev Adımlar" etkinliğiyle de uyum halindedir. Bu, Purdue'yu gerçek dünya sorunlarını çözen bir entelektüel merkez olarak sergilemek üzere tasarlanmış, yıl boyunca süren kutlamaların dört temasından biri olan Fikirler Festivali'nin bir parçasıdır.