Esen ERKAN-Yazar
Lityum iyon pillerin en az üç katı kadar enerji yoğunluğuna sahip tümü katı halde olarak ilk kez geliştirilen piller ile daha güvenli, hızlı şarj edilebilen ve uzun ömürlü mobil cihazlara, elektrikli otomobillere ve enerji depolama teknolojilerine geçiş mümkün.*
Gün geçmiyor ki yeni bir pil teknolojisinden bahsetmeyelim. Almanya doğumlu Mühendis, Fizikçi ve Kimyager Prof. Dr. John B. Goodenough ve ekibi bir kez daha devrim niteliğinde bir buluşa imza atmış durumda. Dr. Goodenough henüz “Nobel ödüllü” bir şöhret kazanmamış olsa da, bilime katkısı evrensel bir etkiye sahip: 1980’de şarj edilebilir lityum-iyon pilini keşfeden Dr. Goodenough, bu icattaki katkılarından dolayı 2013 yılında Barack Obama tarafından onur ödülüne ve Teknoloji, Yenilikçilik Ulusal Madalyası’na layık görüldü. 2014 yılında lityum iyon pil teknolojilerine katkılarından dolayı Ulusal Mühendislik Akademisi’nin en önemli ödülü olan Charles Stark Draper’ı kazandı. Şimdilerde 94 yaşında ve durmak bilmeden keşfetmeye devam ediyor. Austin Texas Üniversitesi Cockrell Mühendislik Fakültesi’nde çalışmalarına devam eden Dr. Goodenough, lityum iyon pil teknolojilerinin eşbaşkanlığını yürütüyor ve yakın zamanda ekibi ile birlikte tümü katı halde olan ilk pilleri geliştirdiklerini açıkladı.
Energy & Environmental Science dergisi tarafından yayınlanan makaleleri ile en yeni teknolojilerini dünyaya duyuran ekip, elektrikli araç ve enerji depolama teknoloji geliştiricileri için büyük heyecan yarattı. Dr. Goodenough ve Cockrell’in üst düzey araştırma görevlisi Maria Helena Braga’nın en yeni ortak çalışması olan proje; yanıcı olmayan, yüksek enerji yoğunluğuna, hızlı şarj oranlarına sahip, uzun bir çevrim ömrüne düşük maliyet ile ulaşabilen, tümüyle katı halde bir batarya ve deşarj sisteminden oluşuyor.
Dr. Goodenough projeyi tanıtırken; “Maliyet, emniyet, enerji yoğunluğu, şarj ve deşarj oranları, devre ömrü, pil ile çalışan otomobillerin daha yaygın olarak kullanılabilmesi için kritik önem taşıyor. Çalışma sonuçlarımızın bugünün pillerinde var olan sorunların birçoğunu çözdüğüne inanıyoruz” açıklamasında bulundu.
Araştırmalar yeni pil hücrelerinin bugünkü lityum-iyon pillerin en az üç katı kadar enerji yoğunluğuna sahip olduğunu gösteriyor. Bir pil hücresinin enerji yoğunluğu, elektrikli bir arabaya sürüş mesafesi veriyor. Bu nedenle, daha yüksek bir enerji yoğunluğu, bir arabanın şarj arasında daha fazla mil kullanabilmesi anlamına geliyor. Dr. Goodenough ve ekibinin geliştirdiği bu yeni formül, daha uzun süreli pillere, “saat yerine dakikalar ile ifade edilebilen” daha hızlı bir şarj oranına ve daha fazla sayıda şarj ve deşarj döngüsüne izin veriyor.
“Odak noktamız elektrikli araçlar”
Dr. Goodenough yeni projesine olan inancını şöyle anlatıyor: “Motivasyonum, modern toplumu fosil yakıtlara bağımlılığından kurtulmak. Bu nedenle, en yeni ürünümüzün uygulanabilir olmasındaki en önemli odak noktamız elektrikli araçlar. Düşük maliyetli, yanıcı olmayan ve yüksek enerji yoğunluğu ile uzun bir döngüye sahip katı hal pili, hızlı şarj ve deşarj oranları ile elektrikli araçlar için en uygun seçenek.”
Lityum esaslı pillerin yeni nesillerin büyüyen güç ihtiyaçları için tehlikeli, pahalı ve yetersiz olduğu giderek daha fazla görülmeye başladığından, Goodenough, hem daha düşük maliyetli hem de hafif olan güvenli katı pillerin geliştirilmesi yoluyla bir çözüm aradıklarını belirtiyor. Geliştirilen teknolojinin önemli bir diğer avantajı ise pil hücrelerinin çevre dostu malzemelerden yapılabilmesi: Cam elektrolitler lityum için düşük maliyetli sodyumun yerini almasını sağlıyor ve sodyum, yaygın olarak bulunan deniz suyundan elde ediliyor.
“Lityum iyon pillerin çoğu, iki elektrot ve sıvı durumdaki elektrolitten oluşuyor. Sorun, bu elektrolitin çok yanıcı olmasından kaynaklanıyor. Zarar görmesi halinde pil, alev alıyor. Katı hal pilleri ise sıvı elektrolitten kurtularak, onun yerine farklı bir maddeyi koyuyor. Elektrotların arasında iyon iletimini sağlayacak olan bu madde, genellikle farklı metallerin karışımından oluşuyor. Teknolojiyi heyecan verici kılan diğer özelliği ise, hücrelerinde sıvıya yer vermediği için daha az yalıtım katmanına sahip olması ve dolayısıyla daha küçük, daha hafif olabilmesi. Dolayısıyla katı hal pilleri, daha hafif ve güvenli pillere ihtiyaç duyan otomobil üreticileri için oldukça ilgi çekici hale geliyor. ABD Enerji Bakanlığı’nın ARPA-E bölümü, katı hal pilleri geliştirmek üzere birden fazla proje yürütüyor.”
“Daha Uzun Pil Ömrü”
Günümüzün lityum iyon pilleri, lityum iyonlarını anot (pilin negatif tarafı) ve katot (pilin pozitif tarafı) arasında taşımak için sıvı elektrolitleri kullanıyor. Bir pil hücresi çok hızlı bir şekilde şarj edilirse, sıvı elektrolitlerin arasından dendritler veya diğer bir ifadeyle “metal bıyık” oluşturup çaprazlayabilir ve kısa devreye, patlamaya, yangına neden olabiliyor.
Araştırmacılar, sıvı elektrolitler yerine, geleneksel lityum pillerin en büyük kusurlarından biri olan dendritler olmadan alkali metal anot kullanılmasını sağlayan cam elektrolitler kullanarak çözümü buldu. Geleneksel bir pil ile mümkün olmayan alkali metal anot (lityum, sodyum veya potasyum) kullanılması, katotun enerji yoğunluğunu arttırarak uzun bir çevrim ömrü sağlıyor. Yapılan deneylerde, araştırmacı hücrelerin düşük hücre direnci ile 1.200’den fazla döngü-çevrim gösterdiği belirlendi.
Araştırmacı Braga pil üretiminin kolaylaştığını şu cümleler ile vurguluyor: “Kullandığımız cam elektrolitler, hem katot hem de anot tarafında dendritler olmaksızın alkali metalleri plaka haline getirme ve sıyırma olanağı tanıyor. Bu da pil hücresi üretimini oldukça basitleştiriyor.”
“Özellikle sıfır dereceli havalarda iyi performans göstereceği belirtilen pillerdeki katı cam elektrolitler -20 derece sıcaklıkta çalışıp yüksek iletkenlik gösterebiliyor. Geliştirilen piller, 60 derece Celsius (60 C°) altında çalışabilen ilk tamamen katı hal pil hücresi olma özelliğini taşıyor. UT Austin Teknoloji Ticareti Ofisi aracılığıyla, katı cam elektrolitlerin bileşimi ve özelliklerinden yararlanılarak geliştirilen bu yeni elektrolit türünün patenti alındı.”
Goodenough ve Braga, batarya ile ilgili araştırmalarını geliştirmeye devam ediyor ve birkaç patent üzerinde daha çalışıyorlar. Kısa vadede, yeni malzemelerle elektrikli taşıtlar ve enerji depolama aygıtları geliştirmek ve test etmek için pil üreticileri ile çalışmayı umuyorlar.
–
Turkish article.
Esen ERKAN-Yazar
Lityum iyon pillerin en az üç katı kadar enerji yoğunluğuna sahip tümü katı halde olarak ilk kez geliştirilen piller ile daha güvenli, hızlı şarj edilebilen ve uzun ömürlü mobil cihazlara, elektrikli otomobillere ve enerji depolama teknolojilerine geçiş mümkün.*
Gün geçmiyor ki yeni bir pil teknolojisinden bahsetmeyelim. Almanya doğumlu Mühendis, Fizikçi ve Kimyager Prof. Dr. John B. Goodenough ve ekibi bir kez daha devrim niteliğinde bir buluşa imza atmış durumda. Dr. Goodenough henüz “Nobel ödüllü” bir şöhret kazanmamış olsa da, bilime katkısı evrensel bir etkiye sahip: 1980’de şarj edilebilir lityum-iyon pilini keşfeden Dr. Goodenough, bu icattaki katkılarından dolayı 2013 yılında Barack Obama tarafından onur ödülüne ve Teknoloji, Yenilikçilik Ulusal Madalyası’na layık görüldü. 2014 yılında lityum iyon pil teknolojilerine katkılarından dolayı Ulusal Mühendislik Akademisi’nin en önemli ödülü olan Charles Stark Draper’ı kazandı. Şimdilerde 94 yaşında ve durmak bilmeden keşfetmeye devam ediyor. Austin Texas Üniversitesi Cockrell Mühendislik Fakültesi’nde çalışmalarına devam eden Dr. Goodenough, lityum iyon pil teknolojilerinin eşbaşkanlığını yürütüyor ve yakın zamanda ekibi ile birlikte tümü katı halde olan ilk pilleri geliştirdiklerini açıkladı.
Energy & Environmental Science dergisi tarafından yayınlanan makaleleri ile en yeni teknolojilerini dünyaya duyuran ekip, elektrikli araç ve enerji depolama teknoloji geliştiricileri için büyük heyecan yarattı. Dr. Goodenough ve Cockrell’in üst düzey araştırma görevlisi Maria Helena Braga’nın en yeni ortak çalışması olan proje; yanıcı olmayan, yüksek enerji yoğunluğuna, hızlı şarj oranlarına sahip, uzun bir çevrim ömrüne düşük maliyet ile ulaşabilen, tümüyle katı halde bir batarya ve deşarj sisteminden oluşuyor.
Dr. Goodenough projeyi tanıtırken; “Maliyet, emniyet, enerji yoğunluğu, şarj ve deşarj oranları, devre ömrü, pil ile çalışan otomobillerin daha yaygın olarak kullanılabilmesi için kritik önem taşıyor. Çalışma sonuçlarımızın bugünün pillerinde var olan sorunların birçoğunu çözdüğüne inanıyoruz” açıklamasında bulundu.
Araştırmalar yeni pil hücrelerinin bugünkü lityum-iyon pillerin en az üç katı kadar enerji yoğunluğuna sahip olduğunu gösteriyor. Bir pil hücresinin enerji yoğunluğu, elektrikli bir arabaya sürüş mesafesi veriyor. Bu nedenle, daha yüksek bir enerji yoğunluğu, bir arabanın şarj arasında daha fazla mil kullanabilmesi anlamına geliyor. Dr. Goodenough ve ekibinin geliştirdiği bu yeni formül, daha uzun süreli pillere, “saat yerine dakikalar ile ifade edilebilen” daha hızlı bir şarj oranına ve daha fazla sayıda şarj ve deşarj döngüsüne izin veriyor.
“Odak noktamız elektrikli araçlar”
Dr. Goodenough yeni projesine olan inancını şöyle anlatıyor: “Motivasyonum, modern toplumu fosil yakıtlara bağımlılığından kurtulmak. Bu nedenle, en yeni ürünümüzün uygulanabilir olmasındaki en önemli odak noktamız elektrikli araçlar. Düşük maliyetli, yanıcı olmayan ve yüksek enerji yoğunluğu ile uzun bir döngüye sahip katı hal pili, hızlı şarj ve deşarj oranları ile elektrikli araçlar için en uygun seçenek.”
Lityum esaslı pillerin yeni nesillerin büyüyen güç ihtiyaçları için tehlikeli, pahalı ve yetersiz olduğu giderek daha fazla görülmeye başladığından, Goodenough, hem daha düşük maliyetli hem de hafif olan güvenli katı pillerin geliştirilmesi yoluyla bir çözüm aradıklarını belirtiyor. Geliştirilen teknolojinin önemli bir diğer avantajı ise pil hücrelerinin çevre dostu malzemelerden yapılabilmesi: Cam elektrolitler lityum için düşük maliyetli sodyumun yerini almasını sağlıyor ve sodyum, yaygın olarak bulunan deniz suyundan elde ediliyor.
“Lityum iyon pillerin çoğu, iki elektrot ve sıvı durumdaki elektrolitten oluşuyor. Sorun, bu elektrolitin çok yanıcı olmasından kaynaklanıyor. Zarar görmesi halinde pil, alev alıyor. Katı hal pilleri ise sıvı elektrolitten kurtularak, onun yerine farklı bir maddeyi koyuyor. Elektrotların arasında iyon iletimini sağlayacak olan bu madde, genellikle farklı metallerin karışımından oluşuyor. Teknolojiyi heyecan verici kılan diğer özelliği ise, hücrelerinde sıvıya yer vermediği için daha az yalıtım katmanına sahip olması ve dolayısıyla daha küçük, daha hafif olabilmesi. Dolayısıyla katı hal pilleri, daha hafif ve güvenli pillere ihtiyaç duyan otomobil üreticileri için oldukça ilgi çekici hale geliyor. ABD Enerji Bakanlığı’nın ARPA-E bölümü, katı hal pilleri geliştirmek üzere birden fazla proje yürütüyor.”
“Daha Uzun Pil Ömrü”
Günümüzün lityum iyon pilleri, lityum iyonlarını anot (pilin negatif tarafı) ve katot (pilin pozitif tarafı) arasında taşımak için sıvı elektrolitleri kullanıyor. Bir pil hücresi çok hızlı bir şekilde şarj edilirse, sıvı elektrolitlerin arasından dendritler veya diğer bir ifadeyle “metal bıyık” oluşturup çaprazlayabilir ve kısa devreye, patlamaya, yangına neden olabiliyor.
Araştırmacılar, sıvı elektrolitler yerine, geleneksel lityum pillerin en büyük kusurlarından biri olan dendritler olmadan alkali metal anot kullanılmasını sağlayan cam elektrolitler kullanarak çözümü buldu. Geleneksel bir pil ile mümkün olmayan alkali metal anot (lityum, sodyum veya potasyum) kullanılması, katotun enerji yoğunluğunu arttırarak uzun bir çevrim ömrü sağlıyor. Yapılan deneylerde, araştırmacı hücrelerin düşük hücre direnci ile 1.200’den fazla döngü-çevrim gösterdiği belirlendi.
Araştırmacı Braga pil üretiminin kolaylaştığını şu cümleler ile vurguluyor: “Kullandığımız cam elektrolitler, hem katot hem de anot tarafında dendritler olmaksızın alkali metalleri plaka haline getirme ve sıyırma olanağı tanıyor. Bu da pil hücresi üretimini oldukça basitleştiriyor.”
“Özellikle sıfır dereceli havalarda iyi performans göstereceği belirtilen pillerdeki katı cam elektrolitler -20 derece sıcaklıkta çalışıp yüksek iletkenlik gösterebiliyor. Geliştirilen piller, 60 derece Celsius (60 C°) altında çalışabilen ilk tamamen katı hal pil hücresi olma özelliğini taşıyor. UT Austin Teknoloji Ticareti Ofisi aracılığıyla, katı cam elektrolitlerin bileşimi ve özelliklerinden yararlanılarak geliştirilen bu yeni elektrolit türünün patenti alındı.”
Goodenough ve Braga, batarya ile ilgili araştırmalarını geliştirmeye devam ediyor ve birkaç patent üzerinde daha çalışıyorlar. Kısa vadede, yeni malzemelerle elektrikli taşıtlar ve enerji depolama aygıtları geliştirmek ve test etmek için pil üreticileri ile çalışmayı umuyorlar.
