Singapur ve Çin’den bilim insanları % 60’a kadar sıkıştırılabilen ve yüksek enerji yoğunluğu ve stabiliteye sahip, 10,000 şarj/deşarj döngüsüne kadar çıkabilen bir batarya geliştirdi. Sıvıyla-katı arası bir malzeme özelliği gösteren bu pile “quasi-solid-state” batarya adı verildi. Bu bataryanın yapımında 3 boyutlu yazıcıdan faydalanılarak, esneyebilen, sıkıştırılabilen ve bükülebilen kompleks bir pil yapısı oluşturuluyor.
“3D boyutlu yazıcı teknolojisi çok hızlı gelişen bir alan olduğundan, istediğiniz şeklide batarya elektrotu, tabakası veya dokusu oluşturabiliyorsunuz,” diyor Singapur Teknoloji Üniversitesi’nden malzeme bilim araştırmacısı Hui Ying Yang. Araştırmacılar 3D yazıcılar sayesinde, araştırmaları için hızlı bir şekilde prototip geliştirebiliyor.
Grafen Oksit Popüler Bir Mürekkep Malzemesi
Grafen oksitin sulu çözeltileri, stabil dağılım ve iyi reolojik özellikler sergilediğinden, derecesi ayarlanabilen popüler bir mürekkep malzemesidir. Buna rağmen, grafen oksit(GO) aerojeli 3D yazıcıda kullanmak için kalsiyum iyonları, karbon nanotüpler ve selüloz nano fiberler gibi katkı malzemeleri gerekiyor. Araştırma bu yönde ilerleyerek, 3D yazıcıyla yazılmış ultra hafif, iyi iletkenlikte ve sıkıştırılabilir yapıların basılmasına imkan verdi. Fakat nano karbon yapılar tek başlarına elektrokimyasal enerjiyi bir batarya gibi depolayamıyorlar. İşte bu nedenle, mürekkebe elektrokimyasal olarak aktif katkı malzemeleri eklenerek bataryaya dönüştürülüyor fakat bu mürekkebin reolojik özelliklerinde bazı problemlere neden oluyordu.
Yang ve arkadaşları bunun yerine önce nanokarbon aerojeli bastı ve sonra elektrokimyasal olarak aktif demir ve nikel tabanlı nanomateryalleri bu yapı üzerine püskürttü. Böylece araştırmacılar, karbon nanotüplü GO tanecikleriyle harmanlanmış ve uygun viskoziteye sahip bir mürekkebe sahip oldu. Sonra bu kafes yapılarını; amonyak, sülfat,nikel sülfat karışımına daldırdılar. Böylece yapının üstünde Ni(OH)2 nano tanecikler oluşturdular. Nanokarbon kafes yapısı demir nitrat ve demir klorürle işleme tabi tutulunca, kafes yapısının yüzeyinde gözenekli αFe2O3 nano çubuk dizileri büyüdü.
% 60’ a Kadar Sıkıştırılabilen Esnek Batarya
Nikel-demir quasi-katı hal bataryaların bir çok avantajı var; düşük maliyet,yüksek döngü ve iyi bir mekanik bunlardan sadece üçünü oluşturuyor. Yang ve arkadaşları, Ni(OH)2 ve αFe2O3 yüklenmiş nanokarbon yapıların reolojik ve elektrokimyasal performanslarını ayarlamak için sıvı veya polimer jel potasyum hidroksit elektrolit kullandı. Bu sayede % 60’a kadar sıkıştırılabilen, 10 bin şarj-deşarj döngüsünde bile yaklaşık % 91,3 kapasitesini koruyabilen ve ultra yüksek enerji yoğunluklu(28.1 mWh cm-3, 10.6 mW cm-3 güçte ) bir pil oluşturdular. Araştırmacılar bu pillerden 4 tanesiyle mavi bir led ışığı yakabildiklerini gösterdi.
“Bu sentetik yaklaşımımız sadece 3D yazıcıyla üretilebilecek etkili bir metot sergilemekle kalmayıp, aynı zamanda stres toleranslı esnek ve giyilebilir elektronik cihazlar gelecekteki uygulamaların kapısını da açıyor. Sonraki çalışmamızda 3D yazılabilir yüksek enerji yoğunluklu ve yüksek deşarj platformları üzerinde çalışacağız, Zn-hava pilleri gibi,” diyor Yang.
Araştırma Referansı :
Dezhi Kong et al. 3D Printed Compressible Quasi-Solid-State Nickel-Iron Battery, ACS Nano (2020). DOI: 10.1021/acsnano.0c01157
