Daha iyi piller için büyük bir beklenti var. Cihazlarımız ve otomobillerimiz gelişmeler kaydederken onlara güç sağlayan piller, pek değişmediler. Medyada yeri yerinden oynatacak, büyük pil buluşlarına sıkça rastlıyoruz, ancak yeni teknolojileri geniş çapta ticarileştirmek, kolay bir iş değil.
Yeni pilleri laboratuvarda üretmek, elbette önemli bir aşama ancak onu fabrikada güvenli olarak, milyonlarca kez, rekabetçi bir fiyatla üretmek ayrı bir iş. Elbette bu, yarışın durması anlamına gelmiyor. Elektrikli otomobil üreticileri, daha hesaplı, daha hafif ve daha güçlü pillerin peşindeler. Tıbbi implantlar ve hatta giyilebilir teknoloji üreticileriyse "görünmeyecek" kadar küçük pillerle çalışıyorlar. Yenilenebilir enerji firmaları, binlerce kez şarj ve deşarj olup, kararlılığını koruyan pilleri araştırmaktalar.
Haftada bir duyduğumuz pil gelişmeleri, gerçekler ancak atılımlarla onları yaygın hale getirmek arasındaki mesafe giderek büyüyor. Belki bu kelimeleri duymak sizi şaşırtmayacak, ancak bu yazımızda dünyayı gerçekten değiştirebilecek üç pil araştırmasını yakından inceleyeceğiz.
Katı hal pili
Lityum iyon piller, herhangi bir işaret vermeden patlamak gibi tehlikeli bir özelliğe sahipler. Katı hal piller ise bu sorunu inceleyerek çözmeyi amaçlıyor.
Lityum iyon pillerin çoğu, iki elektrot ve sıvı durumdaki elektrolitten oluşuyor. Sorun, bu elektrolitin çok yanıcı olmasından kaynaklanıyor. Zarar görmesi halinde pil, alev alıyor.
Katı hal pilleri ise sıvı elektrolitten kurtularak, onun yerine farklı bir maddeyi koyuyor. Elektrotların arasında iyon iletimini sağlayacak olan bu madde, genellikle farklı metallerin karışımından oluşuyor. Teknolojiyi heyecan verici kılan diğer özelliği ise, hücrelerinde sıvıya yer vermediği için daha az yalıtım katmanına sahip olması ve dolayısıyla daha küçük, daha hafif olabilmesi. Dolayısıyla katı hal pilleri, daha hafif ve güvenli pillere ihtiyaç duyan otomobil üreticileri için oldukça ilgi çekici hale geliyor. ABD Enerji Bakanlığı'nın ARPA-E bölümü, katı hal pilleri geliştirmek üzere birden fazla proje yürütüyor.
Bu arada 8 yıllık bir firma olan Sakti3, bir süredir katı hal lityum piller üretme işine yoğunlaşıyor. Firma, geliştirmekte olduğu teknolojiyi sır gibi sakladığı için elektrolit yerine ne kullandığını bilmiyoruz. Bildiğimiz, Sakti3'ün önemli isimlerin yatırımlarını üzerine çektiği. Bir başka katı hal firması olan QuantumScape, benzer şekilde sessiz ve derinden ilerliyor. Dedikodulara göre firma, Sakti3'e benzer fikirlerin peşinde.
Peki katı hal pillerini neden cihazlarımızda kullanmıyoruz? Nedeni basit: Bu piller, henüz ticarileşmeye hazır değiller. Pil teknolojisinin önündeki en büyük engel, kullanılan gizli elektrokimyasal sosun hangisi olduğu değil, onu fabrikada tekrar, bildiğimiz pilden ucuza, yüksek ölçekte üretmek.
Alüminyum hava
Lityum, pil maddelerinin en önemlilerinden ancak alev almaktan öte bir dizi dezavantajı var. Lityumu çıkarmanın zorluğu bir tarafa, lityumun elektron yayan bazı maddelerin verimliliğine ulaşamadığı biliniyor.
İsrailli firma Phinergy, son birkaç senedir lityuma hiç ihtiyaç duymayan, "alüminyum hava pili" üzerinde çalışıyor. Bu pillerde elektrotlardan bir tanesi, alüminyum levhadan, diğeri ise oksijenden (oksijen ve su elektroliti) oluşuyor. Oksijen, levhayla etkileşimde bulunduğunda enerji üretiliyor.
Alüminyum hava pilleri uzun süre önce ortaya çıktılar, ancak son birkaç senedir tekrar ilgi toplamış durumdalar. Journal of Power Sources'ın 2002'deki bir araştırması, alüminyum hava pillerinin benzinin yerine geçebilecek tek uygun alternatif olduğunu ileri sürmüştü. Bu piller, teoride lityum iyon pillerin 40 katını saklayabiliyorlar.
Peki, o halde oksijenli otomobiller nerede?
Şimdi sıra yine aynı soruya geldi: Oksijenli otomobiller neredeler, neden hiçbir yerde lityum alüminyum pil kullanmıyoruz? İşin aslı şu ki bu pillerde enerji üretilmesi için gerçekleşen kimyasal reaksiyon, önemli bir dezavantajla geliyor. Alüminyum, oksijenle etkileşimde bulundukça özelliğini yitiriyor.
"Birincil" hücre olarak bilinen türdeki bu pilde akım, yalnızca tek yönde, anottan katota doğru akıyor. Bu, alüminyum hava pillerinin tekrar şarj olamayacağı, tükendiklerinde değiştirilmelerinin gerektiği anlamına geliyor. Yaygın kullanım için bu durum, büyük bir problem teşkil ediyor. University of Michigan Battery Lab'den Greg Less'e göre servis istasyonları, otomobillerin pillerini hızla değiştirecek altyapıya sahip olana kadar lityum-iyon piller, daha tercih edilebilir olacak. Pilleri düzenli olarak değiştirme zorunluluğu, alüminyum hava pillerinin elektronik cihazlarda pek kullanılmayacağını gösteriyor.
Alüminyum hava pilleri üzerindeki araştırmalar, yine de devam ediyor. Onu birkaç sene içinde piyasaya ulaştıracağını söyleyen Phinergy dahil birkaç firma var.
Mikro pil
Geleneksel pillerin büyük sorunlarından bir başkası, boyutları. Elektronik cihazlarımınızın neredeyse tüm parçaları küçülürken piller, küçülmüş değiller. Örneğin Apple'ın en yeni laptop'unun büyük bölümü, pil tarafından harcanıyor.
Sorun laptop'lardan da ileriye gidiyor. İnsan vücudunda kullanılacak kadar küçük pillere ihtiyaç duyan implantları düşünün. Veya Solar Impulse gibi, enerjiyi depolamak için tüy hafifliğinde pillere ihtiyaç duyan uçak projelerini. Peki ya giydiklerimizi bilgisayara dönüştüren Project Jacquard'ı düşünürsek?
"3 boyutlu" olarak adlandırılan mikro piller üzerindeki araştırmalar devam ediyor. Peki 2 boyutlu pil ile 3 boyutlu pil arasında ne fark var? 2 boyutlu pilin tarihi, çok basit: Bu pilde elektrolit tarafından ayrılan iki elektrot bulunuyor. Kabaca "rulo keke" benzetebileceğimiz 3 boyutlu pillerde ise elektrotların yüzey alanı, onları mikroskobik katmanlarda sıkıca kenetleyerek artırılıyor. Yüzey alanının artması, iyonların bir elektrottan diğerine daha kolay geçiş yapması, dolayısıyla pilin güç yoğunluğunun artması anlamına geliyor.
3 boyutlu yazıcıyla üretilen mikro pil ve fazlası
Bilim adamları, bu küçük mucizeleri üretmenin birçok farklı yolunu araştırmaktalar. Örneğin bir Harvard takımı, 2013'te 3 boyutlu yazıcı yardımıyla, lityum "mürekkepten" faydalanarak nano boyutlu anot ve katotlar üretmeyi başarmıştı.
University of Illinois ise daha yakın bir zamanda 3 boyutlu pil üretmek için kullandığı "holografik taşbaskısı" tekniğini açıkladı. Bu teknolojide 3 boyutlu yapıyı oluşturmak için çok isabetli optik ışınlar kullanılıyor. Bu durumda elektrotlar, pilin kendisi haline geliyor.
Ancak tüm pillerde olduğu gibi burada da güç yoğunluğu (pilin enerji üretme oranı) ve enerji yoğunluğu (pilin toplam kapasitesi) arasında bir takas sözkonusu. Her ikisinde aynı anda iyi olmaksa zor. Illinois takımı her şeye rağmen bunun için çalışıyor ve eğer teknolojiyi ticarileştirmeyi başarırsa, büyük şeyler olabilir.