Elektrolit özelliklerinin lityum-kükürt batarya performansına etkisi

Lityum-kükürt (Li-S) piller, yüksek teorik özgül ve hacimsel enerji yoğunluğuna sahip olmaları nedeniyle lityum-iyon bataryaların yerini almaya adaydır. Kükürtün doğada bol bulunması, toksik olmaması ve düşük maliyetli olması da bu pillerin avantajları arasındadır. Li-S pillerde, katotta ara ürün olarak oluşan lityum polisülfidlerin elektrolitte çözünmesinden dolayı, elektrolit özellikleri hücrenin elektrokimyasal performansı üzerinde oldukça önemli bir etkiye sahiptir. Bu çalışmada elektroliti oluşturan tuz ve çözücü bileşenlerinin hücrenin deşarj kapasitesine ve döngü performansına etkisi deneysel ve mekanistik olarak araştırılmıştır. Sülfolan ve triglim çözücüleri ve LiTFSI, LiTF ve LiClO4 tuzlarının çeşitli kombinasyonları ile oluşturulan hücreler, çeşitli elektrolite-kükürt (E/S) oranlarında galvonastatik döngüleme ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) metotlarına tabi tutulmuştur; böylece tuz ve çözücü çeşidinin Li-S hücre performansına etkisi deneysel olarak karakterize edilmiştir. LiTFSI tuzu, sülfolan bazlı elektrolitler içinde neredeyse tüm E/S oranlarında en yüksek deşarj kapasitelerine ulaşarak en iyi döngü performansını göstermiştir. Bunun yanında LiTF tuzu içeren elektrolitler içinde, triglim bazlı olanların sülfolan bazlı olanlara göre daha iyi kapasite tutma özelliği gösterdiği görülmüştür. Lityum-kükürt bataryanın performansı özellikle düşük E/S oranlarında çözücü ve tuz tipinden oldukça etkilenmektedir. Bu göz önüne alındığında 1M LiTFSI tuzunun sülfolan çözücüyle oluşturduğu sistem düşük E/S oranlarında umut verici sonuçlar göstermiştir. Elektrolit özelliklerinin Li-S pilin deşarj performansı üzerindeki etkisini araştırmak için sıfır boyutlu ve tek boyutlu iki elektrokimyasal model de geliştirilmiştir. Her iki modelde de elektrolit özellikleri dolaylı olarak modellenmiştir. Sıfır boyutlu modelde sadece S8 çökme hızı sabiti deşarj kapasitesini değiştirebilmektedir. Tek boyutlu modelde ise kS8, KspS8 ve difüzyon katsayılarının hücrenin kapasitesine etki edebileceği gözlemlenmiştir. Her iki model de elektrolit özelliklerinin deşarj eğrisine etkisini öngörebilmektedir; fakat tek boyutlu modelde daha fazla parametrenin etkili olduğu söylenebilir.