Bazı teknolojik keşifler beklemediğimiz anda tesadüfen gerçekleşir. İnsanlık tarihi aslında bunun bir çok örneği ile doludur. Penisilin, X-ışını makineleri ve hatta mikrodalgalar, bu tür devrim niteliğindeki tesadüfi keşiflerin örnekleridir. Bunlara bir yenisini ekleme zamanımız gelmiş olabilir. Üstelik lityum sülfür pillerle ilgili bu yeni keşif gezegenimizi yaklaşan iklim değişikliği probleminden potansiyel olarak kurtarma vaadinde de bulunuyor.
Hayatımızı enerjiye bağımlı bir biçimde sürüyoruz. Bunun sonucunda da uzun zamandır modern yaşantımıza güç katacak ve elektrikli arabalar gibi temiz teknolojiyi mümkün kılacak bir seçenek arıyoruz. 90’ların başında yaşantımıza giren ve günümüzde tercih ettiğimiz pil teknolojisi olan lityum iyon piller bazı konularda bizleri sınırlandırıyor. Bu piller günümüzde telefonlardan, enerji şebekesi yedekleme tesislerine ve hatta uydulara kadar her şeye güç sağlıyor. Ancak bize günümüz teknolojik imkanlarını sunsalar da bazı olumsuzlukları da beraberlerinde getiriyorlar.
Lityum İyon Piller ile İlgili Sorunlar Nelerdir?
Hatırlayacağımız üzere 2019 Nobel Kimya Ödülü de lityum iyon pillerin geliştirilmesine katkıda bulunan araştırmacılara layık görülmüştü. Diğer pillere göre daha hafif olan ve şarj edilme özelliği taşıyan lityum piller birçok alanda avantaj sağlıyor.
Ancak ne yazık ki onları inşa etmek için gereken malzemeler, en başta kobalt, çevremize ciddi zararlar veriyor. Kobalt bir zamanlar değersiz bir metal olarak kabul edilirdi. Ancak giderek hızlanan dijital yaşam tarzlarımız bu madene talebi aniden arttırdı. Günümüzde kobalt madenciliğinin çevre üzerinde yarattığı olumsuz sonuçlar iyi belgelenmiştir.
Lityum iyon bataryalarda, tıpkı standart pillerde olduğu gibi iki tür elektrot vardır. Biri pozitif yüklü katot, diğeri negatif yüklü anot. Diğer çoğu pil, elektrotların yavaş ama emin adımlarla değiştiği kimyasal tepkimelere dayanır. Bir lityum iyon pil ise şarj edildiğinde ya da kullanıldığında iyonlar çevreleriyle etkileşmeden elektrotlar arasında akar. Bu da pilin uzun ömürlü olması ve performansı düşmeden yüzlerce kez şarj edilebilmesi anlamına gelir.
Ancak sürekli daha hızlı şarj süresi talep ediyoruz. Bir çok kişinin de bildiği gibi bir pili tekrar tekrar hızlı bir şekilde şarj ederseniz kapasitesi zamanla azalır. Pil tükendikten sonra da yapılacak tek şey küçük bir servet verip yenisini almak olacaktır. Bunun anlamı da her geçen gün daha da kötüleşen elektronik atık sorununa katkıda bulunmaktır.
Lityum iyon piller ile ilgili en önemli sorun ise patlama ve yangın riskidir. Lityum piller, aşırı şarj edildiklerinde alev alma riski taşır. Bu durumlarda lityum, metalin negatif elektrotu üzerinde birikmektedir. Bu da sonunda kısa devreye neden olur.
Bataryadaki koruma devresi normalde bunu engellemelidir ancak bazı sorunlar bir biçimde çalışmasını engeller. Aşırı şarj etme durumu ile ilgili sorunlar çoğu üretici tarafından belirli yazılımlarla çözüldü. Ancak taklit telefonlarda bu tarz yazılım destekleri sunulmadığı için risk vardır. Detaylar için: Cep Telefonu Bataryaları Neden Ve Nasıl Patlar?
Lityum Sülfür Bataryalar Geleceğin Pil Teknolojisi Olma Adayıydı
Geçtiğimiz yıllarda adını duymaya başladığımız lityum-sülfür olarak bilinen bir pil türü yukarıdaki sorunların bir kısmına çözüm adayı gibi gözüküyor. Üretiminde ekolojik olarak çok daha az zararlı malzemeler kullanılmaktadır. Üretimi daha ucuzdur. Diğer pillere kıyasla daha hafiftir ve alev alma olasılığı çok daha düşüktür.
Ancak sevinmeden önce bilmeniz gereken bir sorun vardır. Bir lityum iyon pil yaklaşık 2000 şarj döngüsü için kullanılabilirken, lityum sülfür tipik olarak bunun yaklaşık yarısını başaracaktır. Bu nedenle, bir veya iki yıllık uygun kullanımdan sonra, bir lityum-kükürt pil temelde ölüdür.
Bu sorunu ortadan kaldırmak için bilim insanları bir süredir bu piller üzerinde araştırma yapmaktaydı. Amaçları, pil şarj olurken ve boşaldığında polisülfit oluşturan kimyasal reaksiyonu yavaşlatmaktı. Bu sayede çok yoğun enerji tüketen bu pillerin daha uzun süre dayanması sağlanabilecekti. Ancak buldukları şey hedeflerinin çok daha ötesine geçti.
Lityum Sülfür Bataryalar İle İlgili Yeni Keşif
Çalışmalar sırasında sülfürün reaksiyonu önleyen nadir bir kimyasal evresini tesadüfen keşfeden bilim insanları, bu evrenin polisülfür oluşmasını önleyerek, sülfürü daha önce sadece laboratuvarda yüksek sıcaklıklarda oluşan monoklinik (eğik eksenli) gamma fazına kristalleştirdiğini bildirdi.
Çalışmayı yapan bilim insanlarından Rahul Pai, ilk başta bulgularına inanamadıklarını, geçmiş tüm araştırmaların monoklinik sülfürün 95 santigrat derecenin altında kararsız olduğunu gösterdiğini belirtti. Bu bir pilin 4000 defa şarj edilebilmesi anlamına geliyor.
Çoğu tesadüfi keşifte olduğu gibi, bilim insanları keşfettikleri sürecin tam olarak ne olduğunu henüz çözemediler. Bu nedenle bilim insanları, bu sürecin arkasındaki mekanizmayı tam olarak anlamaya çalışıyor.
Milyarlarca bilgisayar, elektrikli araba ve benzerlerinde kullanılacak güvenilir bir pil geliştirmek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyuluyor. Ancak bu piller eşdeğer lityum iyon pillerin üçte biri ağırlığında ve iki kat kullanım ömrüne sahip olacağından beklemeye değer!
Kaynaklar ve ileri okumalar:
- The promise of lithium-sulphur batteries. Yayınlanma tarihi: 5 Haziran 2020; Bağlantı. https://ec.europa.eu/
- If Cobalt Is So Bad, Why Are Some Companies Still Using It In Batteries? Part 1; Bağlantı: https://simpliphipower.com/
- Pai, R., Singh, A., Tang, M.H. et al. Stabilization of gamma sulfur at room temperature to enable the use of carbonate electrolyte in Li-S batteries. Commun Chem 5, 17 (2022). https://doi.org/10.1038/s42004-022-00626-2
- How an accidental discovery made this year could change the world; yayınlanma tarihi: 17 Nisan 2022; Bağlantı: https://bigthink.com
Matematiksel
