Küresel iklim krizi, insanları fosil yakıt kullanmaktan caydırınca, geriye temel enerji kaynağı olarak elektrik kaldı. İnsanlık o yüzden bir yandan elektriğin atmosfere sera gazları salmadan üretilmesi için çalışıyor; bir yandan da elektrik enerjisini daha çok, daha iyi ve daha verimli depolayacak yöntemler geliştirmek istiyor.
Elektriği depolamada kullandığımız pil aslında 150 yıllık bir icat ama depolama yöntemi yeterince verimli değil. Çünkü pil, temelde elektronların bir alana önce dolması, sonra boşalmasıyla, yani o alanın şarj sırasında sıkışması, deşarj sırasında ise genişlemesiyle çalışıyor. Bu yöntem zaman içinde pil içinde kullanılan malzemenin kullanılamaz hale gelmesine neden oluyor.
Pilin icadından bu yana aradan geçen onca zamanda hem pillerin kapasiteleri, hem daha çabuk dolmaları hem de ömürlerinin uzaması için pek çok yenilik yaşandı. Şu an Lityum atomunun ionlarını kullanan bir teknolojimiz var ama bu da çözüm değil; daha yüksek kapasite ve daha dayanıklı, daha verimli pil ihtiyacı artık giderek artıyor.
Dün gelen bir haber, bu konuda önemli bir aşama kaydedildiğini söylüyordu. Biraz teknik olması pahasına haberi paylaşıyoruz, çünkü haber özünde bugün sahip olduğumuz pillerin kapasitesinin 10 kat gibi inanılmaz bir miktarda artabileceğini söylüyor. Tabii unutmamak gerek, bu gelişme henüz laboratuvarda yaşandı; ticari uygulamaya dönüştürülmesi lazım ve bunun başarılması zaman alabilir.
Artık pillerin anotu silikondan
Yüksek enerji kapasiteli lityum-iyon piller oluşturmak için silikon gibi yüksek kapasiteli anot malzemeler gerekiyor. Bu anot malzemeler, grafit veya şu anda mevcut olan diğer anot malzemelerden en az 10 kat daha fazla kapasite sunabiliyor. Ancak buradaki sorun, lityum ile reaksiyon sırasında yüksek kapasiteli anot malzemelerinin hacim genişlemesinin pil performansı ve kararlılığı için tehdit oluşturmasında başlıyor.
Bugüne kadar yapılan araştırmalar, yalnızca kimyasal çapraz bağlama ve hidrojen bağına odaklanıyordu. Bağlayıcı moleküller arasında kovalent bağın oluştuğu kimyasal çapraz bağlamada, bağların bir kez koptuğunda geri kurulamaması gibi kritik bir kusur bulunuyor. Öte yandan elektronegatiflik farklılıklarına dayanan moleküller arasında kısmen tersine çevrilebilir bir bağ olan hidrojen bağı ise nispeten zayıf bir güce sahip olmasıyla sıkıntı yaratıyor. Bu sorunu çözmek için araştırmacılar, bu sefer çalışmalarını hacimsel genişlemeyi etkili bir şekilde kontrol edebilen polimer bağlayıcılar üzerinde yoğunlaştırdı.
Polimerik bağların mucizesi
Güney Kore’deki POSTECH ve Sogang Üniversitesi’nden profesörlerden oluşan bir araştırma ekibi, geleneksel grafik anotların yapımında kullanılan malzemelerin kapasitesini 10 kat artıracak, hem kararlı hem de güvenilir yüksek kapasiteli malzemeler için polimerik bağlayıcı kullandı. Bu çığır açıcı buluş, grafitin Si anot ile değiştirilmesi ve katman yüklü polimerle birleştirilmesiyle elde edildi. Bu süreçte pil performansının hem kararlılığında hem de güvenliğinde sorun yaşanmadı. Araştırmanın sonuçları Advanced Functional Materials dergisinde yayımlandı.
Araştırma ekibi tarafından geliştirilen yeni polimer, sadece hidrojen bağını kullanmakla kalmıyor, aynı zamanda pozitif ve negatif yükler arasındaki çekim olan Coulombic kuvvetlerinden de yararlanıyor. Böylelikle hem hidrojen bağından çok daha yüksek bir güç sağlanıyor hem de tersine çevrilebilir ve hacimsel genişlemeyi kontrol edebilir olmasından dolayı avantaj elde ediliyor. Ekip ayrıca fiziksel nitelikleri düzenlemek ve Li-iyon difüzyonunu kolaylaştırmak için polietilen glikol kullanarak yoğun yüksek kapasiteli elektrot ve Li-iyon pillerde bulunan maksimum enerji yoğunluğunu elde etti.
