Kobalt Yerine Organik Güç: Elektrikli Araçlarda Devrim Yaratacak Yeni Pil Teknolojisi
MIT kimyagerleri, elektrikli araç endüstrisinin kıt metallere olan bağımlılığını azaltabilecek organik malzemelere dayalı bir pil katodu geliştirdi.
Birçok elektrikli araç, yüksek maliyetli, çevresel ve sosyal maliyetlere sahip olan bir metal olan kobalt içeren bataryalarla çalışıyor.
MIT araştırmacıları şimdi, elektrikli araçlara güç sağlamak için daha sürdürülebilir bir yol sunabilecek bir pil malzemesi tasarladılar. Yeni lityum-iyon pil, kobalt veya nikel (lityum-iyon pillerde sıklıkla kullanılan başka bir metal) yerine organik malzemelere dayalı bir katot içeriyor.
Yeni bir çalışmada araştırmacılar, kobalt içeren pillerden çok daha düşük maliyetle üretilebilen bu malzemenin elektriği kobalt pillerle benzer oranlarda iletebildiğini gösterdi. Araştırmacılar, yeni pilin aynı zamanda karşılaştırılabilir depolama kapasitesine sahip olduğunu ve kobalt pillerden daha hızlı şarj edilebildiğini bildirdi.
MIT’de W.M. Keck Enerji Profesörü olan Mircea Dincă, “Bu malzemenin büyük bir etkisi olabileceğini düşünüyorum çünkü gerçekten iyi çalışıyor” diyor. “Halihazırda mevcut teknolojilerle rekabet edebilir ve şu anda pillere giren metallerin madenciliğiyle ilgili maliyet, acı ve çevresel sorunların çoğunu kurtarabilir.”
Dincă, bugün ACS Central Science dergisinde yayınlanan çalışmanın kıdemli yazarıdır. Tianyang Chen PhD ’23 ve eski bir MIT postdoc’u olan Harish Banda makalenin baş yazarlarıdır. Diğer yazarlar arasında MIT’de doktora sonrası araştırmacı olan Jiande Wang, MIT yüksek lisans öğrencisi Julius Oppenheim ve Bologna Üniversitesi’nde araştırma görevlisi olan Alessandro Franceschi yer alıyor.
Kobalt alternatifleri
Elektrikli otomobillerin çoğu, lityum iyonlarının katot adı verilen pozitif yüklü bir elektrottan anot adı verilen negatif bir elektrota akmasıyla şarj olan bir pil türü olan lityum-iyon pillerle çalışır. Lityum-iyon pillerin çoğunda katot, yüksek stabilite ve enerji yoğunluğu sunan bir metal olan kobalt içerir.
Ancak kobaltın önemli dezavantajları vardır. Kıt bulunan bir metal olduğundan fiyatı önemli ölçüde dalgalanabilir ve dünyadaki kobalt yataklarının çoğu siyasi olarak istikrarsız ülkelerde bulunur. Kobalt çıkarımı tehlikeli çalışma koşulları yaratır ve madenleri çevreleyen toprak, hava ve suyu kirleten zehirli atıklar üretir.
“Kobalt piller çok fazla enerji depolayabilir ve performans açısından insanların önemsediği tüm özelliklere sahiptir, ancak yaygın olarak bulunamama sorunu vardır ve maliyeti emtia fiyatlarına bağlı olarak büyük dalgalanmalar gösterir. Tüketici pazarında çok daha yüksek oranda elektrikli araçlara geçiş yaptıkça, kesinlikle daha pahalı hale gelecektir,” diyor Dincă.
Kobaltın birçok dezavantajı nedeniyle, alternatif batarya malzemeleri geliştirmeye yönelik çok sayıda araştırma yapılmıştır. Bu malzemelerden biri, bazı otomobil üreticilerinin elektrikli araçlarda kullanmaya başladığı lityum-demir-fosfattır (LFP). Pratikte hala kullanışlı olmasına rağmen LFP, kobalt ve nikel pillerin sadece yarısı kadar enerji yoğunluğuna sahiptir.
Bir başka cazip seçenek de organik malzemelerdir, ancak şimdiye kadar bu malzemelerin çoğu kobalt içeren pillerin iletkenliğini, depolama kapasitesini ve kullanım ömrünü karşılayamamıştır. Düşük iletkenlikleri nedeniyle, bu tür malzemelerin tipik olarak iletken bir ağ oluşturmalarına yardımcı olan polimerler gibi bağlayıcılarla karıştırılması gerekir. Toplam malzemenin en az yüzde 50’sini oluşturan bu bağlayıcılar, bataryanın depolama kapasitesini düşürmektedir.
Yaklaşık altı yıl önce Dincă’nın laboratuvarı, Lamborghini tarafından finanse edilen ve elektrikli arabalara güç sağlamak için kullanılabilecek organik bir pil geliştirmeyi amaçlayan bir proje üzerinde çalışmaya başladı. Kısmen organik ve kısmen inorganik olan gözenekli malzemeler üzerinde çalışırken, Dincă ve öğrencileri yaptıkları tamamen organik bir malzemenin güçlü bir iletken olabileceğini fark ettiler.
Bu malzeme, üç kaynaşmış altıgen halka içeren organik bir küçük molekül olan TAQ’un (bis-tetraaminobenzoquinone) birçok katmanından oluşuyor. Bu katmanlar grafite benzer bir yapı oluşturarak her yönde dışa doğru uzanabilir. Moleküllerin içinde elektron rezervuarı olan kinon adı verilen kimyasal gruplar ve malzemenin güçlü hidrojen bağları oluşturmasına yardımcı olan aminler bulunur.
Bu hidrojen bağları malzemeyi son derece kararlı ve aynı zamanda çok çözünmez hale getirir. Bu çözünmezlik önemlidir çünkü bazı organik batarya malzemelerinde olduğu gibi malzemenin batarya elektroliti içinde çözünmesini engeller ve böylece kullanım ömrünü uzatır.
“Organik malzemeler için ana bozulma yöntemlerinden biri, akü elektroliti içinde çözünmeleri ve akünün diğer tarafına geçerek esasen bir kısa devre oluşturmalarıdır. Malzemeyi tamamen çözünmez hale getirirseniz, bu işlem gerçekleşmez, böylece minimum bozulma ile 2.000’den fazla şarj döngüsüne gidebiliriz” diyor Dincă.
Güçlü performans
Bu malzemenin testleri, iletkenliğinin ve depolama kapasitesinin geleneksel kobalt içeren pillerle karşılaştırılabilir olduğunu göstermiştir. Ayrıca, TAQ katotlu bataryalar mevcut bataryalardan daha hızlı şarj ve deşarj edilebilir, bu da elektrikli araçların şarj hızını artırabilir.
Organik malzemeyi stabilize etmek ve akünün bakır veya alüminyumdan yapılmış akım toplayıcısına yapışma kabiliyetini artırmak için araştırmacılar selüloz ve kauçuk gibi dolgu malzemeleri ekledi. Bu dolgu maddeleri toplam katot kompozitinin onda birinden daha azını oluşturuyor, bu nedenle pilin depolama kapasitesini önemli ölçüde azaltmıyor.
Bu tür bir katot üretmek için gereken birincil malzemeler, halihazırda ticari olarak mevcut olan ve emtia kimyasalları olarak büyük miktarlarda üretilen bir kinon öncüsü ve bir amin öncüsüdür. Araştırmacılar, bu organik pillerin montajının malzeme maliyetinin kobalt pillerin maliyetinin yaklaşık üçte biri ila yarısı kadar olabileceğini tahmin ediyor.
Lamborghini bu teknolojinin patentini almıştır. Dincă’nın laboratuvarı alternatif pil malzemeleri geliştirmeye devam etmeyi planlıyor ve lityumun yerine lityumdan daha ucuz ve daha bol bulunan sodyum veya magnezyumun kullanılma olasılığını araştırıyor.
Derleyen: Deniz KAFKAS
Kaynak: Kobalt Yerine Organik Güç: Elektrikli Araçlarda Devrim Yaratacak Yeni Pil Teknolojisi