KAIST merkezli bir grup araştırmacı, dikkat çekici bir yöntem geliştirdi: Performansı artırmak için pahalı metaller kullanmak yerine, malzemenin iç yapısını akıllıca tasarlayarak belirgin bir iyileşme sağlamak.
Geleneksel lityum pillerde, iyonların iki elektrot arasında hareket etmesini sağlayan sıvı elektrolit bulunur. Tam katı hal pillerde ise bu sıvı, katı elektrolit ile değiştirilir. Bu değişim, güvenlik açısından avantajlıdır; çünkü yanıcı sıvı bileşenlerin azalması sağlanır.
Ancak sorun, lityum iyonlarının sıvılarda çok daha kolay hareket edebilmesine karşın, katı malzemelerin içinden geçişte zorluk yaşamasıdır. Önceki birçok çözüm, iyon hareketini hızlandırmak için pahalı elementlere, karmaşık üretim süreçlerine veya komplike bileşimlere dayanıyordu.
KAIST araştırma ekibi, iyonların katı elektrolit içinde “yol bulma” sorununu yapısal tasarım ile çözmeye odaklandı. Bu yaklaşımda, “iki değerlikli anyonlar” adı verilen oksijen ve kükürt gibi elementler ön plandadır.
Bu elementler, katı elektrolitin kristal yapısına kontrollü bir şekilde entegre edilerek iç yapının yeniden düzenlenmesini sağlıyor. Ekip, bunu uygun maliyetli malzemelerle üretilebilen zirkonyum (Zr) bazlı halojenür katı elektrolitlerde gerçekleştirdi. Temel hedef, lityum iyonlarının hareket ettiği “koridorları” genişletmek ve iyonların hareketi için gerekli enerji engelini azaltmaktır.
Deneysel bulgular oldukça umut verici: Oksijen veya kükürt eklenen elektrolitlerde, lityum iyonlarının hareketliliği, geleneksel zirkonyum bazlı benzerlerine göre 2 ila 4 kat artış göstermektedir.
Oda sıcaklığında ölçülen iyonik iletkenlik değerleri, pratik kullanım için yeterli seviyelere yakın/üstü bir tablo sunuyor. İyonik iletkenlik, iyonların malzeme içinde ne kadar kolay aktığını gösteren temel bir ölçüttür. Oda sıcaklığında 1 mS/cm ve üzeri değerler, gerçek dünya uygulamaları için genellikle “yeterli” kabul edilen seviyeler arasında yer alıyor.
Ekip, yapısal değişikliklerin gerçekten gerçekleştiğini kanıtlamak için ileri analiz yöntemleri ve bilgisayar modellemeleriyle kristal yapıdaki dönüşümü izledi. Böylece “performans arttı” iddiası, yalnızca sonuç ölçümü ile değil, iç yapıda neyin değiştiği ile de desteklenmiş oldu.
Bu çalışma, katı hal pil alanında önemli bir perspektif değişikliğini vurguluyor: “Hangi malzeme?” sorusundan ziyade, “Mevcut malzemeyi nasıl tasarlarsak daha iyi performans alırız?” sorusuna odaklanmak gerekiyor.
Yine de, maliyeti artırmadan performansı yükseltebilen bu tür “tasarım tabanlı” yaklaşımlar, katı hal pillerin laboratuvar ortamından ticari kullanıma geçişinde önemli bir aşama olarak değerlendirilmektedir.