Lityum Polimer Piller için Biyoesaslı Polimerler

29 Eylül 2020

Fosil kaynaklarının azalması ve çevreye verdiği zararlardan dolayı alternatif enerji kaynaklarından (güneş, rüzgâr, su vb.) elde edilen enerjinin depolanması ve etkin kullanımı çok önemli hale gelmiştir.

Piller enerji depolar ve özellikle mobil cihazlarda kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çevirerek kullanılmasını sağlar. Elektrikle çalışan mobil cihazların (cep telefonu, elektrikli araçlar vb.) kullanımının artması nedeniyle pil pazarı gittikçe büyümekte ve 2025 yılı hedefi olarak 92 milyar $ gibi bir büyüklük öngörülmektedir. Şarj edilemeyen birincil piller ve şarj edilebilir ikincil piller vardır.

Taşınabilir cihazların artması nedeniyle bu cihazlarda kullanılan pillerin esnek, hafif, enerji yoğun, yüksek kapasiteli, uzun ömürlü ve yüksek güvenlikli olması beklenmektedir. Bu nedenle geliştirilen birçok pil çeşidi olmasına rağmen lityum iyon piller bu özellikleri sunmaları ve ekonomik olmaları nedeniyle öne çıkmaktadır. Lityum iyon piller lityum tuzlarının çözündüğü organik çözücüler (etilen karbonat, propilen karbonat, dietil karbonat vb.), pozitif ve negatif elektrotları birbirinden ayıran separatörden oluşur. Lityum iyonları şarj ve deşarj esnasında pozitif ve negatif elektrot arasında göç etmektedir.

Lityum iyon pillerde lityum tuzlarını çözen çözücülerin ortaya çıkardığı güvenlik problemleri (ısınma, kısa devre, patlama, yanma vb.) nedeniyle son yıllarda lityum iyon polimer pillere ilgi artmıştır.

Şekil 1. Katı polimer elektrolitlere bazı örnekler [Ref 9.]

Lityum iyon polimer pillerde lityum iyonları polimer matrisi içinde bulunurlar. Polimer matrisi poli (etilen oksit) (PEO), poli (akrilonitril) (PAN), poli (metil metakrilat) (PMMA) veya poli (viniliden florid) (PVdF) gibi polimerlerden oluşur. Polimer elektrolitler katı, jel ve porlu olmak üzere üçe ayrılabilir.

Lityum iyon polimer pillerde iyon iletkenliği polimer ile sağlanırken yüksek iyon iletkenliği için polimerin düşük camsı geçiş sıcaklığına (Tg) sahip olması gerekmektedir. Bu ise mekanik dayanımı düşürmektedir. Bu nedenle yüksek iyon iletkenliğine ve düşük Tg değerine sahip polimerlerle birlikte mekanik dayanımı artıran çapraz bağlı polimer ağsı yapıların polimer matrisi olarak kullanımını çok önemli hale gelmiştir. Mekanik mukavemeti artırmak için bir diğer yöntem ise killerin ve nanomalzemelerin kullanımıdır.

Son yıllarda ortaya çıkan petrol türevlerinin azalması ve ortaya çıkan çevresel sorunlardan dolayı biyoesaslı kimyasalların petrol türevli kimyasallara alternatif olarak kullanılması önemli hale gelmiştir. Lityum iyon pillerde biyoesaslı polimerlerin kullanımı ile daha çevreci ve sağlıklı piller geliştirilebilir.

Şekil 2. Biyoesaslı polimerlerden katı polimer elektrolit hazırlanması [Ref 10.]

İzel Kimya olarak biyoesaslı birçok kimyasalın hammadde olarak kullanıldığı polimerleri üretmekteyiz. Özellikle tek komponent ve çift komponent akrilik reçineler üreten şirketimiz farklı özelliklerde akrilik reçinelerin geliştirilmesi kapsamında çalışmalar yapmaktadır. Lityum tuzları ile modifiye edilen akrilik monomerler lityum iyon pillerde polimer elektrolit olarak kullanılmak üzere polimer matrislerinin elde edilmesi ve polimer elektrolitlerin iyon iletkenlik kapasitelerinin belirlenmesi ile ilgili çalışmalarımız devam etmektedir.

Referanslar
1) https://tr.wikipedia.org/wiki/Lityum_polimer_pil 2) Arya, A., Sharma, A.L. Polymer electrolytes for lithium ion batteries: a critical study. Ionics 23, 497–540 (2017). 3) Shin, W., Cho, J., Kannan, A. et al. Cross-linked Composite Gel Polymer Electrolyte using Mesoporous MethacrylateFunctionalized SiO2 Nanoparticles for Lithium-Ion Polymer Batteries. Sci Rep 6, 26332 (2016) 4) C.M. Costa, E. Lizundia, S. Lanceros-Méndez, Polymers for advanced lithium-ion batteries: State of the art and future needs on polymers for the different battery components, Progress in Energy and Combustion Science, Volume 79,2020.
5) Jimin Shim, Lucia Kim, Hee Joong Kim, Daun Jeong, Jin Hong Lee, Jong-Chan Lee, All-solid-state lithium metal battery with solid polymer electrolytes based on polysiloxane crosslinked by modified natural gallic acid, Polymer, Volume 122, 2017. 6) Xia, Shuixin et al. Practical Challenges and Future Perspectives of All-Solid-State Lithium-Metal Batteries, Chem, Volume 5, Issue 4, 753 – 785. 7) Qingfeng Zhai, Fuwei Xiang, Fang Cheng, Yongjiang Sun, Xiaoping Yang, Wen Lu, Liming Dai, Recent advances in flexible/stretchable batteries and integrated devices, Energy Storage Materials, Volume 33, 2020. 8) Schon, T.B., Tilley, A.J., Bridges, C.R., Miltenburg, M.B. and Seferos, D.S. (2016), Bio-Derived Polymers for Sustainable Lithium-Ion Batteries. Adv. Funct. Mater., 26: 6896-6903. 9) Zhao, Q., Stalin, S., Zhao, C. et al. Designing solid-state electrolytes for safe, energy-dense batteries. Nat Rev Mater 5, 229–252 (2020). 10) Tuan. Naiwi, T.S.R.; Aung, M.M.; Ahmad, A.; Rayung, M.; Su’ait, M.S.; Yusof, N.A.; Wynn Lae, K.Z. Enhancement of Plasticizing Effect on Bio-Based Polyurethane Acrylate Solid Polymer Electrolyte and Its Properties. Polymers 2018, 10, 1142.

 

Dr. Cemil Dızman

Ar-Ge Müdürü
İzel Kimya

Gökhan Yıldırım

Ar-Ge Araştırmacısı
İzel Kimya