Lityum Hava pilleri, çalışma prensibi olarak bir yakıt hücresine benzer. Bir tarafta saf lityum metal, diğer tarafta ise havadaki oksijenle reaksiyona giren gözenekli bir yapı vardır. Bu sistemin çalışabilmesi için kimyasal saflık hayati önem taşır.
İşte bir Li-Air hücresini oluşturan 5 ana bileşen ve malzeme gereksinimleri:
Lityum iyon pillerdeki grafit anot burada kullanılmaz. Enerji yoğunluğunu maksimize etmek için saf metal kullanılır.
Lityum Metal Folyo (Lithium Metal Foil): Genellikle 0.1 mm ile 0.5 mm kalınlığında, %99.9 saflıkta (Battery Grade) lityum şeritler kullanılır.
Yüzey Koruma: Lityum metal, elektrolit ile istenmeyen reaksiyonlara girip "dendrit" (sivri uçlar) oluşturabilir. Bu yüzden bazen yapay bir koruyucu katman (SEI Layer) oluşturmak için özel polimerler veya inorganik kaplamalar gerekebilir.
Burası pilin "akciğeridir". Oksijenin içeri girmesi, lityum iyonlarıyla buluşması ve reaksiyon ürünü olan Lityum Peroksitin (Li2O2) depolanması burada gerçekleşir. Katot malzemesi elektriği iletmeli ama reaksiyona girmemelidir.
İletken Karbonlar: Geniş yüzey alanı ve gözenek hacmi şarttır.
Super P: Standart iletken katkı.
Karbon Nanotüpler (CNT): Yüksek iletkenlik ve mekanik dayanım için.
Grafen ve rGO: Elektron transferini hızlandırmak için.
Ketjen Black: Çok yüksek gözenekliliği sayesinde reaksiyon ürünlerini depolamak için idealdir.
Gaz Difüzyon Tabakası (GDL): Karbon kağıdı veya karbon bezi. Oksijenin homojen dağılmasını sağlar.
Lityum hava pillerinin en büyük sorunu, şarj olurken çok yüksek voltaj gerektirmesidir. Bunu düşürmek için oksijen reaksiyonlarını (ORR ve OER) kolaylaştıran katalizörler karbona eklenir.
Değerli Metaller: Platin (Pt), Altın (Au), Rutenyum (Ru) nanoparçacıkları.
Metal Oksitler: Daha ucuz alternatiflerdir. Manganez Dioksit (MnO2), Kobalt Oksit (Co3O4) en popüler olanlardır.
Perovskitler: Lityum hava pilleri için yeni nesil, yüksek verimli katalizör grubudur.
Lityum hava pillerinde su kullanımı (sulu sistemler hariç) ölümcüldür, çünkü lityum suyla şiddetli tepkimeye girer. Bu yüzden "Susuz" (Aprotic) solventler kullanılır.
Solventler (Çözücüler): Oksijene karşı kararlı olmalıdır.
DMSO (Dimetil Sülfoksit)
TEGDME (Tetraetilen Glikol Dimetil Eter) - "Eter bazlı" elektrolitler en yaygın olanlardır.
Lityum Tuzları: LiTFSI veya LiPF6. İyon iletimini sağlar.
Anot ve katodu fiziksel olarak ayırırken, lityum iyonlarının geçişine izin vermelidir.
Cam Elyaf (Glass Fiber): Laboratuvar testlerinde en sık kullanılan, gözenekli ayırıcıdır.
Seramik Elektrolitler (LATP / LAGP): Katı hal lityum hava pilleri için kullanılır. Lityum metalini dendritlerden korur ve havadan gelen nemin anota ulaşmasını engeller.
Malzemeleri tedarik ederken şu teknik zorlukları göz önünde bulundurmalısınız:
Nem ve CO2 Düşmanlığı: Havadaki nem ve karbondioksit, lityum ile reaksiyona girerek pili öldürür. Bu yüzden laboratuvar ortamında test yaparken "Saf Oksijen Tankı" kullanılır veya çok gelişmiş hava filtreleri gerekir.
Korozyon: Kullanılan elektrolitler ve reaksiyon ara ürünleri (süperoksitler) pilin parçalarını (özellikle bağlayıcıları ve contaları) aşındırabilir. Standart PVDF bağlayıcı yerine bazen PTFE (Teflon) tercih edilir.
Lityum Hava pilleri, malzeme bilimi ve nanoteknolojinin sınırlarını zorlayan bir alandır. Başarılı bir hücre üretimi için sıradan karbonlar veya standart elektrolitler yetersiz kalır. Yüksek saflıkta lityum folyo, yüzey alanı optimize edilmiş nano karbonlar ve kararlı eter bazlı elektrolitler, bu geleceğin teknolojisini bugünden yakalamak isteyen araştırmacıların alışveriş listesinde mutlaka olmalıdır.
