Kriyojenik ve Fonksiyonel Malzemeler•Cilt 13, Sayı 1•10 Nisan 2025•16 dk okuma süresi

Katı Elektrolitli Lityum-Hava Hücrelerinde Karbonat Oluşumunu Engelleyen Nanogözenekli Rutenyum Oksit Katotlar

1.000 Wh/kg Teorik Enerji Yoğunluğuna Sahip Bataryalarda Tersinir Li2O2 Reaksiyonu

Dr. Kerem TanaydınTÜBİTAK MAM Malzeme Enstitüsü, İleri Kompozitler ve Aerojeller

DOI:https://doi.org/10.5582/yorunge.2025.13.1.15

Temiz oda eldivenli kutusunda (glovebox) lityum hücre montajı ve elektrokimyasal potansiyostat

TÜBİTAK MAM Elektrokimyasal Enerji Laboratuvarı batarya döngü test istasyonu. (Fotoğraf: TÜBİTAK MAM)

Özet (Abstract)

Lityum-hava (Li-O2) bataryaları, benzininkine yakın teorik özgül enerjileri nedeniyle elektrikli havacılık ve uzun menzilli taşımacılıkta nihai hedef olarak görülmektedir. Ancak, deşarj sırasında oluşan lityum peroksitin (Li2O2) şarj esnasında ayrıştırılamaması ve ortamdaki CO2 ile reaksiyona girerek yalıtkan lityum karbonat (Li2CO3) tabakası oluşturması döngü ömrünü onlarca çevrimle sınırlandırmaktadır. Bu çalışmada, nanogözenekli rutenyum oksit (RuO2) katalizörüyle modifiye edilmiş seramik katı elektrolitli Li-O2 hücreleri geliştirilmiş ve 400 tam döngü boyunca kapasite kaybı %6 sınırında tutulmuştur.

Öne Çıkan Bulgular ve Kuramsal Çıkarımlar

•Karbonsuz RuO2 katot mimarisi şarj aşırı gerilimini 4.3 V’tan 3.4 V’a indirmiştir.
•Katı seramik elektrolit lityum dendritlerinin oluşumunu tamamen bloke etmiştir.
•Enerji verimliliği %64’ten %82’ye yükseltilerek uygulanabilir seviyeye ulaşılmıştır.

Hava Katodundaki Parazitik Reaksiyonlar

Lityum-hava bataryasında pozitif elektrot olarak ortamın oksijeni kullanılır. Ancak ortam havasındaki nem ve karbondioksit, katotta katı lityum hidroksit ve lityum karbonat kabukları oluşturur. 4.2 Volt üzeri şarj potansiyelleri elektroliti ve karbon iskeleyi oksitleyerek bataryanın iflasına yol açar.

Geliştirilen mimaride, karbon iskele tamamen terk edilmiş; bunun yerine iletken ve yüksek katalitik aktiviteye sahip nanogözenekli RuO2 ağı inşa edilmiştir.

Elektrokimyasal Kararlılık ve Raman Doğrulaması

In-situ Raman spektroskopisi ölçümleri, deşarj ürünü olan Li2O2 kristallerinin 3.4 Volt gibi düşük bir aşırı gerilimde (overpotential) tamamen lityum ve oksijene ayrıştığını, hiçbir karbonat yan ürünü oluşmadığını kanıtlamıştır.

Kaynakça ve Referanslar

Tanaydın, K. (2024). Carbon-free RuO2 cathodes enabling long-life solid-state Li-air batteries. Nature Communications, 15, 4120.[DOI]

Anahtar Kelimeler:Lityum Hava BataryasıRuO2 KatalizörKatı ElektrolitEnerji YoğunluğuElektrokimya

Aynı Disiplindeki Diğer Araştırmalar

Kriyojenik ve Fonksiyonel MalzemelerCilt 14/2

Kriyojenik Sıvı Hidrojen Tanklarında Düşük Yoğunluklu Grafen Aerojel Katmanlarının Isıl Geçirgenlik Analizi

Dr. Kerem Tanaydın

Sıvı hidrojenin (LH2) 20.28 Kelvin kaynama noktasında güvenle depolanması, havacılık ve uzay araçlarında en kritik kütlesel darboğazı teşkil etmektedir. Bu çalışmada, kimyasal buhar çöktürme yöntemiyle sentezlenen ve yoğunluğu 8.2 mg/cm³ olan ultralight grafen aerojellerin yüksek vakum (10⁻⁵ mbar) altındaki görünür ısıl iletkenlik (k_app) katsayısı deneysel olarak ölçülmüştür. Sonuçlar, çok katmanlı alüminize yansıtıcı folyolarla desteklenen aerojel katmanının kaynama kaybını (boil-off rate) günde %0.12 seviyesine düşürdüğünü göstermektedir.

15 dk

8980

Kriyojenik ve Fonksiyonel MalzemelerCilt 13/3

Kızılötesi Atmosferik Pencereler İçin Koloidal Kuantum Noktalı Fotodedektör Dizilimi

Dr. Kerem Tanaydın

Geleneksel orta dalga kızılötesi (MWIR) dedektörleri, termal gürültüyü bastırmak için 77 Kelvin kriyojenik Stirling soğutucularına bağımlıdır. Bu durum gece görüş ve uzaktan algılama sistemlerinde ağır, pahalı ve bakım gerektiren modüllere yol açar. Bu çalışmada, civa tellürid (HgTe) koloidal kuantum noktaları kullanılarak sentezlenen ve termoelektrik (Peltier) soğutmayla 230 Kelvin sıcaklıkta çalışabilen yeni bir fotodiyot mimarisi geliştirilmiştir. Cihaz, 3.8 µm dalga boyunda 2.4x10¹⁰ Jones özgül algılama kabiliyeti (D*) sergilemektedir.

14 dk

101080