Editörün notu: Elektrik teknolojisi yeşil dünyanın geleceğidir ve pil teknolojisi elektrik teknolojisinin temelidir ve elektrik teknolojisinin büyük ölçekli gelişimini sınırlayan anahtardır. Mevcut ana akım pil teknolojisi, iyi enerji yoğunluğuna ve yüksek verimliliğe sahip lityum iyon pillerdir. Ancak lityum, yüksek maliyetli ve sınırlı kaynaklara sahip nadir bir elementtir. Aynı zamanda, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı arttıkça, lityum iyon pillerin enerji yoğunluğu artık yeterli değildir. Buna nasıl yanıt verilebilir? Mayank Jain, gelecekte kullanılabilecek bazı pil teknolojilerini değerlendirdi. Orijinal makale, Medium'da "Pil Teknolojisinin Geleceği" başlığıyla yayınlanmıştır.
Dünya enerjiyle dolu ve biz de bu enerjiyi yakalamak ve iyi bir şekilde kullanmak için elimizden gelen her şeyi yapıyoruz. Yenilenebilir enerjiye geçişte daha iyi bir iş çıkarmış olsak da, enerji depolama konusunda pek ilerleme kaydedemedik.
Şu anda pil teknolojisinde en yüksek standart lityum iyon pillerdir. Bu pilin en iyi enerji yoğunluğuna, yüksek verimliliğe (%99 civarı) ve uzun ömre sahip olduğu görülmektedir.
Peki sorun ne? Elde ettiğimiz yenilenebilir enerji miktarı artmaya devam ettikçe, lityum iyon pillerin enerji yoğunluğu artık yeterli olmuyor.
Pil üretimini seri halde sürdürebildiğimiz için bu büyük bir sorun gibi görünmüyor, ancak sorun şu ki lityum nispeten nadir bir metal, bu nedenle maliyeti düşük değil. Pil üretim maliyetleri düşüyor olsa da, enerji depolama ihtiyacı da hızla artıyor.
Lityum iyon pilin üretimi tamamlandığında enerji sektöründe çok büyük bir etki yaratacağı bir noktaya geldik.
Fosil yakıtların daha yüksek enerji yoğunluğu bir gerçektir ve bu, yenilenebilir enerjiye tam bağımlılığa geçişi engelleyen büyük bir etkendir. Ağırlığımızdan daha fazla enerji yayan pillere ihtiyacımız var.
Lityum iyon piller nasıl çalışır?
Lityum pillerin çalışma mekanizması, sıradan AA veya AAA kimyasal pillere benzer. Anot ve katot terminalleri ve aralarında bir elektrolit bulunur. Sıradan pillerden farklı olarak, lityum iyon pillerdeki deşarj reaksiyonu tersine çevrilebilir, bu nedenle pil tekrar tekrar şarj edilebilir.
Katot (+ terminal) lityum demir fosfattan, anot (- terminal) grafitten yapılmıştır ve grafit karbondan üretilmiştir. Elektrik, elektronların akışından ibarettir. Bu piller, lityum iyonlarını anot ve katot arasında hareket ettirerek elektrik üretir.
Şarj olduğunda iyonlar anoda doğru hareket eder, deşarj olduğunda ise katoda doğru hareket eder.
İyonların bu hareketi, devredeki elektronların hareketine neden olur; dolayısıyla lityum iyon hareketi ve elektron hareketi birbiriyle ilişkilidir.
Silikon anotlu pil
BMW gibi birçok büyük otomobil şirketi, silikon anotlu bataryaların geliştirilmesine yatırım yapıyor. Sıradan lityum iyon bataryalar gibi, bu bataryalar da lityum anot kullanıyor, ancak karbon bazlı anotlar yerine silikon kullanıyorlar.
Anot olarak silikon, grafitten daha iyidir çünkü grafit lityumu tutmak için 4 karbon atomuna ihtiyaç duyarken, 1 silikon atomu 4 lityum iyonunu tutabilir. Bu önemli bir gelişmedir... silikonu grafitten 3 kat daha güçlü hale getirir.
Bununla birlikte, lityum kullanımı hala iki ucu keskin bir kılıç gibidir. Bu malzeme hala pahalıdır, ancak üretim tesislerini silikon pillere geçirmek de daha kolaydır. Eğer piller tamamen farklıysa, fabrikanın tamamen yeniden tasarlanması gerekecektir ki bu da geçişin cazibesini biraz azaltacaktır.
Silikon anotlar, saf silikon üretmek için kumun işlenmesiyle yapılır, ancak araştırmacıların şu anda karşılaştığı en büyük sorun, silikon anotların kullanıldığında şişmesidir. Bu, pilin çok hızlı bozulmasına neden olabilir. Ayrıca anotların seri üretimi de zordur.
Grafen pil
Grafen, kurşun kalemle aynı malzemeden üretilen bir tür karbon puludur, ancak grafitin pullara bağlanması çok zaman alır. Grafen, birçok kullanım alanında mükemmel performansı nedeniyle övgü almaktadır ve piller de bunlardan biridir.
Bazı şirketler, dakikalar içinde tamamen şarj edilebilen ve lityum iyon pillerden 33 kat daha hızlı deşarj olabilen grafen piller üzerinde çalışıyor. Bu, elektrikli araçlar için büyük önem taşıyor.
Köpük pil
Günümüzde geleneksel piller iki boyutludur. Lityum piller gibi üst üste istiflenirler veya tipik bir AA veya lityum iyon pil gibi rulo halinde sarılırlar.
Köpük pil, elektrik yükünün 3 boyutlu uzayda hareketini içeren yeni bir kavramdır.
Bu 3 boyutlu yapı, şarj süresini hızlandırabilir ve enerji yoğunluğunu artırabilir; bunlar pilin son derece önemli özellikleridir. Diğer birçok pille karşılaştırıldığında, köpük pillerde zararlı sıvı elektrolit bulunmaz.
Köpük piller, sıvı elektrolitler yerine katı elektrolitler kullanır. Bu elektrolit sadece lityum iyonlarını iletmekle kalmaz, aynı zamanda diğer elektronik cihazları da yalıtır.
Pildeki negatif yükü tutan anot, köpük bakırdan yapılmıştır ve gerekli aktif madde ile kaplanmıştır.
Ardından anotun etrafına katı bir elektrolit uygulanır.
Son olarak, pilin içindeki boşlukları doldurmak için "pozitif macun" adı verilen bir madde kullanılır.
Alüminyum Oksit Pil
Bu bataryalar, piyasadaki diğer bataryalara kıyasla en yüksek enerji yoğunluklarından birine sahip. Enerjileri, mevcut lityum iyon bataryalardan daha güçlü ve daha hafif. Bazıları bu bataryaların elektrikli araçlara 2.000 kilometre menzil sağlayabileceğini iddia ediyor. Bu kavram nedir? Referans olarak, Tesla'nın maksimum seyir menzili yaklaşık 600 kilometredir.
Bu pillerin sorunu şarj edilememeleridir. Alüminyum hidroksit üretirler ve su bazlı bir elektrolit içinde alüminyum ve oksijenin reaksiyonu yoluyla enerji açığa çıkarırlar. Pillerin kullanımı anot olarak alüminyum tüketir.
Sodyum pili
Şu anda Japon bilim insanları lityum yerine sodyum kullanan piller üretmek üzerinde çalışıyorlar.
Bu, çığır açıcı olurdu çünkü sodyum piller teorik olarak lityum pillerden 7 kat daha verimlidir. Bir diğer büyük avantaj ise sodyumun, nadir bir element olan lityuma kıyasla, yeryüzündeki rezervler açısından altıncı en zengin element olmasıdır.
Yayın tarihi: 02-12-2019