Günümüz de Li-ion pillerin ismini oldukça sık duysakta kendi içerisinde pek çok problem barındırıyor. Bununla beraber elektrik enerjisini depolamak her geçen gün daha önemli bir hale gelmektedir. Ve bunlarla beraber pek çok problemin çıkmasından ve ihtiyaçlardan dolayı araştırmalar devam ediyor. Şimdi üstünde çalışmaların devam ettiği gelecekte duyabileceğimiz pillere bir göz gezdirelim.
Lityum-Hava Piller(Li-Air)
Lityum hava heyecan verici yeni deneyim sunuyor. Çünkü bu pil mevcut lityum iyon teknolojileriyle mümkün olandan çok daha fazla enerji depolamayı vaat ediyor. Bilim adamları, pilin hava soluma fikrini çinko-hava ve yakıt hücrelerinden esinleniyorlar.
Bu konunun geliştiricileri li-hava pillerini 1970’lerde önerdi. 2000’li yıllar da ise tekrar ilgi gördü. Bunun sebebi kısmen malzeme bilimindeki gelişmeler ve elektrik aktarma organları için daha iyi bir pil bulma çabasından kaynaklanıyor. Kullanılan malzemelere bağlı olarak, lityum hava 1,7 ile 3,2 V/hücre arasında voltaj üretir. IBM, MIT, California Üniversitesi ve diğer araştırma merkezleri teknolojiyi geliştiriyor.
Lityum-metal (Li-metal)
Araştırmacılar li-metal pilleri yüksek özgül enerjisi ve iyi yükleme kapasitesi nedeniyle uzun süredir geleceğin şarj edilebilir pili olarak görüyorlar. Şarj edilebilir lityum metal pilleri ticarileştirmeye yönelik birkaç başarısız girişimde bulunuldu. Fakat, bunun ardından, bu pilin araştırma ve sınırlı üretimi hala devam ediyor.
Bu pillere sahip bir Audi A2, tek bir şarjla Münih’ten Berlin’e 450 km’den fazla yol kat etti. Arabanın laboratuvar testi yapılırken çıkan yangında kendi kendini yok ettiğine dair bir söylenti çıkmıştır. Bunun yanında Lityum metal pilleri zorlu onay testlerini geçmiştir. Lakin, kısa devrelere neden olabilecek metal lifler oluşabileceğinden uzun vadeli güvenlik sorunu olmaya devam ediyor.
Katı Hal Lityum
Katı hal piller, normal Li-ion’a kıyasla iki kat daha fazla enerji depolamayı vaat ediyorlar. Ancak yükleme kapasiteleri düşük olma durumları gözlemlenmiştir. Bu nedenle elektrikli aktarma organları ve yüksek akım gerektiren uygulamalar için daha az uygulanabilir hale getiriyor. Hedeflenen uygulamalar, bu pilin izin verdiği kısa şarj sürelerinden yararlanarak yenilenebilir enerji kaynakları ve EV’ler için yük dengelemeleridir. Bosch’un da aralarında bulunduğu araştırma laboratuvarları, katı hal pilinin 2025’te otomobillerde uygulanabileceğini tahmin ediyor.
Hükümetler, katı hal pilleri üzerinde araştırma yapan şirketleri büyük hibelerle ödüllendiriyor. Laboratuar raporları, yanıcı elektrolit içermediği için yüksek özgül enerji ve üstün güvenlikle övünüyor. Ancak pil uzmanları, Li-ion’un yerini alabileceği konusunda henüz ikna olmuş değil. Tanınmış bir pil uzmanının sözüne göre: “Katı hal lityum pilin, kWh başına maliyet, uzun ömür ve güvenlik açısından sıvı elektrolit kullanılarak Li-ion ile rekabet edecek uygun maliyetli bir şekilde yapılabileceği anlayışımın ötesinde.” Katı hal piller, yüksek iç empedansa sahip olma eğilimindedir, düşük sıcaklık da düşük performan sergilerler ve dendrit büyümesi mevcuttur.
Lityum-kükürt (Li-S)
Lityumun düşük atom ağırlığına ve kükürt ise orta derecede bir atom ağırlığına sahiptir. Bu sayede lityum kükürt piller, li-ion’un yaklaşık üç katı olan 550 Wh/kg’lık çok yüksek bir özgül enerji sunar. Li-S ayrıca 2.500W/kg gibi saygın bir özgül güce sahiptir. Boşalma sırasında, lityum anot yüzeyinden çözünür ve şarj olurken kendini tekrar anot üzerine kaplayarak tersine döner. Li-S, 2,10 V hücre voltajına sahiptir. Bunun yanında soğuk havalarda iyi deşarj özellikleri sunar ve –60°C’de (–76°F) yeniden şarj edilebilir. Ayrıca bu pil çevre dostudur; Ana bileşen olan kükürt bol miktarda bulunur. kWh başına 250 ABD Doları’lık bir fiyatın mümkün olduğu söyleniyor.
Lityum kükürt ile ilgili bir zorluk, döngü sırasında katottan uzaklaşarak ve lityum anot ile reaksiyona girerek kükürt kayboluyor. Bu sebepten yalnızca 40-50 şarj/deşarjla sınırlı döngü ömrü oluşuyor. Test laboratuvarları artık 200 döngüye ulaşarak iyileştirmeler rapor ediyor. Diğer problemler zayıf iletkenlik, kükürt katodunun zamanla bozulması ve daha yüksek sıcaklıklarda zayıf stabilitedir.
2007’den beri Stanford mühendisleri nanotel ile deneyler yapıyor. Grafen ile denemeler de umut verici sonuçlar veriyor.
Sodyum-iyon (Na-iyon)
Sodyum ucuz olduğundan ve kolayca bulunur. Bu sebepten sodyum iyonu Li iyonuna göre daha düşük maliyetli olası bir alternatif yoludur. Na-ion 1980’lerin sonlarında lityum lehine bir kenara bırakılmıştır. Lakin diğer pil sistemlerinde yaygın olan streslerle karşılaşmadan tamamen deşarj olabilme avantajına sahiptir. Akü, Tehlikeli Maddeler Mevzuatına uymak zorunda kalmadan da sevk edilebilir .
Döngü sayısını iyileştirmek ve pil tamamen şarj olduğunda büyük hacimsel genişlemeyi çözmek için daha fazla geliştirme yapılması gerekecek.
Lityum-manganez-demir-fosfat (LMFP)
Lityum-manganez-demir-fosfatın, normal Li-Fosfat LiFePO 4 sistemine göre kapasiteyi %15’e kadar arttırdığı söylenmektedir . Ortalama çalışma voltajı 4.0V, özgül enerjisi 135Wh/kg ve çevrim ömrünün 5.000 olduğu söyleniyor. Ekonomik maliyet ve güvenlik, bu pili elektrikli aktarma organları için aday yapan diğer avantajlardır.
Kaynakça
- Ömer Faruk ÖZCAN, Teoman KARADAĞ, Mehmet ALTUĞ, Ömerül Faruk ÖZGÜVEN Elektrikli Araçlarda Kullanılan Pil Kimyasallarının Özellikleri ve Üstün Yönlerinin Kıyaslanması Üzerine Bir Derleme Çalışması GU J Sci, Part A, 8(2): 276-298 (2021)
- https://batteryuniversity.com/article/bu-212-future-batteries
