Esnek katı hal piller nelerdir?

Bir grup uluslararası bilim insanı, elektrikli araçların menzilini artırabilecek ve dizüstü bilgisayarlar ile akıllı telefonlardaki yangınları önleyebilecek yeni bir tür katı hal pili geliştirdi. Yazarlar bulgularını Gelişmiş Enerji Malzemeleri'nde açıklıyorlar. Geleneksel şarj edilebilir pillerde kullanılan sıvı elektrolitleri 'katı' seramik olanlarla değiştirerek, daha etkili, uzun ömürlü ve aynı zamanda kullanımı daha güvenli piller üretebiliyorlar. Araştırmacılar, bu avantajların, elektrikli otomobiller de dahil olmak üzere her türlü cihaz için daha verimli, daha yeşil pillerin yolunu açabileceğini umuyor.

ABD ve İngiltere'den çalışmanın yazarları, bir süredir lityum iyon pillerdeki sıvı elektrolitlere alternatifler araştırıyorlar. 2016 yılında, geleneksel lityum iyon hücrelerinin iki katından fazla voltajda ancak benzer verimlilikle çalışabilen bir katı hal pilinin geliştirildiğini duyurdular.

En son tasarımları önceki versiyona göre önemli bir gelişmeyi temsil etse de, MIT'den araştırmacı Profesör Donald Sadoway hala iyileştirme için yer olduğunu belirtiyor: "Seramik malzemelerde yüksek sıcaklıklarda yüksek iyonik iletkenlik elde etmek zor olabilir" diye açıkladı. "Bu çığır açıcı bir başarıydı." Araştırmacılar, testlerden sonra bu geliştirilmiş pillerin elektrikli araçlara ve hatta uçaklara güç sağlamak için uygun olacağının kanıtlanacağını umuyorlar.

Katı hal pillerde yanıcı, sıvı elektrolitler yerine seramik elektrolitler kullanılarak aşırı ısınmadan kaynaklanan hasarlar önlenir. Akü hasar görürse ve seramik elektrolit kömürleri tutuşmak yerine aşırı ısınmaya başlarsa, bu da alev almasını engeller. Bu katı malzemelerin yapısındaki gözenekler aynı zamanda katı içindeki geniş bir ağ boyunca hareket eden iyonlarla çok daha yüksek bir elektrik yükü yükünü taşımalarına da olanak tanır.

Bu özellikler, bilim adamlarının yanıcı sıvı elektrolit içeren pillerle karşılaştırıldığında pillerinin hem voltajını hem de kapasitansını artırabildikleri anlamına geliyor. Aslında Profesör Sadoway şunları söyledi: "12 derece C'de [90°F] çalışan 194 voltluk bir lityum-hava hücresi gösterdik. Bu, başkalarının başarabildiğinden daha yüksek."

Bu yeni pil tasarımının yanıcı elektrolitlere göre başka potansiyel avantajları da var; seramik elektrolitlerin genellikle organik olanlardan daha kararlı olması da dahil. Profesör Sadoway, "İnanılmaz olan şey ne kadar iyi çalıştığıydı" dedi. "Bu hücreden, içine koyduğumuzdan daha fazla enerji aldık."

Bu stabilite, üreticilerin çok sayıda katı hal hücresini aşırı ısınma konusunda endişelenmelerine gerek kalmadan dizüstü bilgisayarlara veya elektrikli arabalara yerleştirmelerine olanak tanıyarak cihazları daha güvenli hale getirebilir ve işlevsel ömürlerini uzatabilir. Şu anda, bu tür piller aşırı ısınırsa, yakın zamanda Samsung Galaxy Note 7 telefonunda olduğu gibi alev alma riskiyle karşı karşıya kalıyorlar. Ortaya çıkan alevler yayılamaz çünkü hücrelerin içinde yanmayı sürdürecek hava yoktur; aslında ilk hasarın oluştuğu bölgenin ötesine yayılamazlar.

Bu katı malzemeler aynı zamanda oldukça uzun ömürlüdür; Buna karşılık, daha yüksek sıcaklıklarda (100°C'nin üzerinde) çalışan, yanıcı sıvı elektrolitlere sahip lityum iyon piller üretmeye yönelik bazı girişimler, 500 veya 600 döngüden sonra rutin olarak alev alıyor. Seramik elektrolitler, alev almadan 7500'den fazla şarj/deşarj döngüsüne dayanabiliyor."

Yeni bulgular, hem elektrikli araçların menzilinin genişletilmesi hem de akıllı telefon yangınlarının önlenmesi açısından son derece önemli olabilir. Sadoway'e göre: "Eski nesil akülerin kurşun asitli (araba) marş aküleri vardı. Menzilleri kısaydı ama inanılmaz derecede güvenilirlerdi" diyen öngörülemeyen zayıflıklarının "eğer hava yaklaşık 60°C'nin üzerine çıkarsa o zaman o zaman alev alırdı."

Günümüzün lityum iyon pillerinin bundan bir adım ötede olduğunu açıklıyor. "Uzun bir menzile sahipler ancak şiddetli aşırı ısınma ve alev alma nedeniyle hasar görebilirler" dedi ve yeni katı hal pilinin potansiyel olarak "temel bir atılım" olduğunu çünkü çok daha güvenilir, daha güvenli cihazlara yol açabileceğini ekledi.

MIT'deki bilim insanları bu teknolojinin yaygın olarak kullanılmasının beş yıl sürebileceğini düşünüyor ancak gelecek yılın başlarında bu tür pillerin Samsung veya Apple gibi büyük üreticilerin akıllı telefonlarına takıldığını görmeyi umuyorlar. Ayrıca bu hücrelerin telefonların yanı sıra dizüstü bilgisayarlar ve elektrikli araçlar da dahil olmak üzere birçok ticari kullanımının olduğunu da belirttiler.

Ancak Profesör Sadoway, teknolojinin mükemmelleştirilmesinden önce hala gidilecek yol olduğu konusunda uyarıyor. "Gerçekten mükemmel görünen bir hücremiz var ama henüz çok erken... Büyük ölçekli, yüksek güç yoğunluklu elektrotlara sahip hücreleri henüz yapmadık."

Sadoway, bu atılımın hemen geniş çapta benimseneceğine inanıyor çünkü bu, yalnızca EV'leri çok daha geniş menzille beslemekle kalmıyor, aynı zamanda akıllı telefon yangınlarını da önleme potansiyeline sahip. Belki de daha şaşırtıcı olanı, katı hal pillerin, çoğu üreticinin güvenlik ve güvenilirlik konusunda ikna olması durumunda, beş yıldan daha kısa bir süre içinde evrensel olarak kullanılabilir hale geleceği yönündeki öngörüsüdür.