Zirvede çok uzun süre kalan her şampiyon gibi, lityum iyon pil de durgunlaşıyor. Onlarca yıldır tercih edilen pil olarak … Akıllı telefonlardan elektrikli arabalara ve drone'lara kadar her türlü cihazın tasarımı, enerji yoğunluğunu ve performansını artırmak için sayısız kez değiştirildi. Ancak bazı bilim adamlarına göre bu gelişmeler teorik sınırlara yaklaşıyor. En iyi modeller bile soğukta ölmeye, kapasiteyi hızla kaybetmeye veya ev cihazlarındaki pillerde olduğu gibi aniden alev almaya eğilimlidir.
Aynı zamanda pillere olan talep hiç bu kadar fazla olmamıştı. 2026 yılında satılan otomobillerin %30'unun, enerji açısından onlara bağımlı olan elektrikli araçlar olması bekleniyor. Geçen yıl Amerika'daki ev ve işyerlerine rekor sayıda büyük pil takıldı. Danışmanlık firması Wood Mackenzie'ye göre on yılın sonunda kurulumlar neredeyse %40 oranında artabilir. Acilen iyi rakiplere ihtiyaç var.
Malzeme bilimindeki ilerlemeler nihayet bunlardan bazılarını ulaşılabilir kılıyor. Pil üreticileri, daha fazla enerji depolayan ve aynı zamanda piyasadaki diğer pillerden daha güvenli ve daha istikrarlı olan piller tasarlamak için mevcut malzemeleri değiştiriyor ve yeni kombinasyonlar yaratıyor. En önemli mücevher olan lityum iyon pil ele geçirilebilir.
Katı hal pilleri en umut verici alternatifler arasındadır. Geleneksel bir lityum iyon pil şarj edildiğinde katottan anoda geçer; indirildiğinde geri dönerler. İyonların hareket ettiği ortama “elektrolit” denir; genellikle pilin tüm bileşenlerine nüfuz eden yanıcı bir organik çözücüdür. Ancak katı hal pillerde anot, katot ve elektrolit plakalar halinde sıkıştırılır. Bu, yaklaşık 300 Wh/kg sıvı elektrolitlerin tam tersine, kilogram başına 500 watt-saat'e (Wh/kg) varan enerji yoğunluklarına olanak tanıyarak aynı alana daha fazla iletken malzemenin sığdırılabileceği anlamına gelir. Ayrıca yanmaya daha az eğilimlidirler.
Katı hal pillerinin kırılganlığı
Katı hal piller onlarca yıldır üzerinde çalışılıyor olmasına rağmen şimdiye kadar araştırmacılar tıbbi implantlar gibi cihazlarda kullanılmak üzere yalnızca küçük versiyonlar üretebildiler. Genelleştirilmesinin önündeki en önemli engel kırılganlıktır. Hücreler şarj edildiğinde ve boşaltıldığında, iyonlar tekrar tekrar elektrot malzemesine gömülür ve pilin genleşip büzülmesine neden olur, bileşenler arasında çatlaklara ve bükülmelere neden olabilecek boşluklar oluşur ve iyonlar yavaşlayarak pil performansının düşmesine neden olur.
Ocak ayında, Çin Bilimler Akademisi'nin bir parçası olan Shenzhen İleri Teknoloji Enstitüleri'ndeki araştırmacılar, kırılganlık sorununun üstesinden gelme yönünde büyük bir adım attı. 1-100 nm kalınlığındaki seramik katmanları benzer kalınlıktaki polimer tabakalarla dönüşümlü olarak istifleyerek yüksek performanslı bir elektrolitik malzeme oluşturdular. Daha sonra yığın, yan tarafına yerleştirilmiş bir katman pastası gibi elektrotların yüzeyine dik olarak yerleştirildi. Seramik kendi başına iyi bir iletkendir ancak çatlamaya eğilimlidir. Polimer ise esnektir ancak zayıf bir iletkendir. Kombinasyon, iyonların mevcut en iyi katı hal elektrolitleri kadar akıcı bir şekilde hareket etmesine, ancak çok daha az çatlama eğilimine sahip olmasına olanak sağladı.
Bir MIT çalışması, bilim adamlarının yalnızca daha fazla dirence değil, daha fazla kimyasal stabiliteye sahip elektrotlar araması gerektiğini gösteriyor
Aşılması gereken başka engeller de var. Piller şarj olurken ve boşalırken, dendritler olarak bilinen iplik benzeri kristaller elektrotların yüzeyinde büyüyerek çatlaklara ve zamanla kısa devrelere neden olabilir. Bilim adamları uzun süredir bu iyonların katottaki fazla lityum iyonlarının emilmek yerine anot yüzeyinde birikmesiyle oluştuğuna inanıyorlardı. Açık bir çözüm, çatlamaya dirençli daha sağlam elektrot malzemeleri kullanmak olacaktır. Ancak Mart ayında yayınlanan bir makalede, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki araştırmacıların liderliğindeki bir ekip, bu yorumun hatalı olduğu sonucuna vardı. Bunun yerine, kimyasal reaksiyonlar elektrotların özelliklerini değiştirdiğinde dendritlerin büyüdüğünü ve zayıflamalarına neden olduğunu belirttiler. Bu, bilim adamlarının sadece daha fazla dirence değil, daha fazla kimyasal stabiliteye sahip elektrotlar araması gerektiğini gösteriyor.
Malzeme bilimi aynı zamanda katı hal pillerinin çalışmasını da hızlandırabilir. Geleneksel polimer elektrolitlerde iyonlar yalnızca çevredeki polimer bölümlerinin izin verdiği hızda hareket edebilir. Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı'nın bir parçası olan Tennessee'deki Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki bir ekip, her iki hareket türünü ayırmanın bir yolunu keşfetti. Bunu, normal koşullar altında zayıf iletken olacak polimer segmentlerine “zwitterionlar” adı verilen kimyasal bileşikler ekleyerek başardılar. Zwitteryonlar nötr moleküller olmasına rağmen iyonları güçlendirebilecek yüklü bölgelere sahiptirler. Ekibin sonuçları, bu konfigürasyonun iyonların elektrolit içerisinde 10 milyar kata kadar daha hızlı hareket etmesini sağlayabileceğini gösterdi. Gelecekteki testler bunun hücrede nasıl çalıştığını gösterecek.
Elementlere meydan okumak
Katı hal elektrolitlerinin dikkate değer bir avantajı, lityum dışındaki malzemelere kapıyı açmalarıdır. Katottaki lityumun yerini sodyumun aldığı sodyum iyon piller özellikle ilgi çekicidir. Sodyum lityumdan daha ucuz ve daha kararlı olmasının yanı sıra yerkabuğunda 1000 kat daha fazla bulunur. Ne yazık ki, sodyum atomları lityum atomlarından daha büyük ve daha ağırdır, bu da bunların geleneksel grafit elektrotlara gömülmesinin pek mümkün olmadığı anlamına gelir. Bugün sonuç, daha az enerji depolayabilen daha ağır bir pildir. Daha iyi elektrotlar durumu iyileştirebilse de (örneğin, süngerimsi yapısında sodyum iyonlarını emebilen sert karbon, grafitten daha iyi performans gösterir), uygun sıvı elektrolitler henüz bulunamadı.
Katı bir elektrolitin işlenmesi daha kolay olacaktır. Bir yandan, katı hal pillerinde dendrit oluşumu riskinin düşük olması, anotların yüksek derecede reaktif sodyum metalinden üretilmesine olanak tanıyacak ve bu da, bugün mümkün olandan kilogram başına daha fazla enerji depolamayı mümkün kılacaktır. Sert karbon anotlu bir pilin enerji yoğunluğu 175 Wh/kg civarındayken, sodyum metal anotlar 500 Wh/kg'a yakın yoğunluklara ulaşabiliyor.
Sodyum lityumdan daha ucuzdur ve 1000 kat daha boldur. Aynı zamanda daha fazla enerji yoğunluğunu da mümkün kılacaktır.
Katı hal sodyum iyon pilin kapasitesini daha da artırmak için araştırmacılar anotun tamamen çıkarılmasıyla deneyler yapıyor; bu, daha fazla sodyum tutabilecek daha kalın bir katot için yer yaratacak ve bu da pilin depolayabileceği enerji miktarını artıracak. Anodun çıkarılmasının pil performansı açısından ölümcül olması gerekmez. Şarj sırasında sodyum iyonları katottan pilin “akım toplayıcı” olarak bilinen başka bir bileşenine hareket edecek ve burada deşarj gerçekleşene kadar birikecek. Aslında pil çalışırken bir anot oluşturulur.
Chicago Üniversitesi'nden malzeme bilimcisi Shirley Meng, ilerlemelerin baş döndürücü hızının, en iyi katı hal tasarımını üretmeye yönelik gerçek anlamda küresel bir rekabetin sonucu olduğunu söylüyor. Bu rekabet aynı zamanda pillerin yapılma biçiminde de devrim yaratabilir. Şimdilik sıvı elektrolitli piller, elektrotların solvent dolu kaplara daldırılması ve bunları kurutmak için çok büyük miktarda enerji kullanılmasıyla yapılıyor. Bu şekilde yapılan katı hal pillerin yüzeylerinde mikro gözenekler oluşur ve bu da arıza olasılığını artırır. Daha kalın elektrotların üretimi de daha zordur çünkü eşit olmayan şekilde kururlar.
Bu nedenle kuru tozların katı piller oluşturmak üzere preslendiği “kuru elektrot üretimi” giderek daha fazla ciddiye alınıyor. Testler, pillerin genel performansını artırırken, enerji tüketimini yaklaşık yarı yarıya ve üretim maliyetlerini yaklaşık beşte bir oranında azalttığını göstermiştir. Batarya ve elektrikli araç üreticisi Tesla ve Güney Koreli batarya üreticisi LG Energy Solution'ın da aralarında bulunduğu birçok şirket, bu teknolojiyi mükemmelleştiren ilk şirket olmak için yarışıyor.
Aldatmaca ile gerçeği birbirinden ayırmak kolay değil. Ancak son gelişmeler iddialı sözlerin yerine getirilebileceğini gösteriyor: Dünyanın en büyük pil üreticisi Çinli şirket Contemporary Amperex Technology, 2027 yılına kadar katı hal pilleri üreteceğini açıkladı ve ilk sodyum iyon elektrikli aracını bu yılın ortasında piyasaya sürmeyi planladı; Güney Koreli elektronik şirketi Samsung, 2027 yılına kadar katı hal pillerin seri üretimini yapacağını açıklarken, Japon otomobil üreticisi Toyota da benzer bir söz verdi; ve ABD merkezli Ford Motors bu ay bir batarya üretim birimi kurdu ve gelecek yıla kadar veri merkezleri ve sanayi şirketlerine büyük ölçekli bataryalar tedarik etmeyi planlıyor. Akü imalat sektöründe heyecanlı zamanlar yaşıyoruz.
Bir yanıt yazın