Pil Teknolojisindeki Yeni Gelişmeler Nelerdir?

Dün birlikte alüminyum hava pilleri üzerine biraz inceleme yapmıştık. 

Konu pillerden giderken bugün de gelin biraz daha pil teknolojilerindeki yeni gelişmelere bakalım.

Her şeyden önce biraz teknik bilgi vermek istiyorum.

Pil dediğimiz nedir?

Elektrik enerjisi deposu! 

Yani piller prensip olarak bir ucunda birikmiş olan elektronların diğer ucuna akması yoluyla bize ihtiyacımız olan elektriği sağlayan enerji depoları. Bunu kimyasal reaksiyon ile yapıyorlar.

Peki bir pil yapmak için neye ihtiyacımız var bu durumda? 

Elektrona, yani elektron kaynağına!

Sanırım buraya kadar mantık gayet basit ve anlaşılır olmuştur.

***

Bu durumda gelin biraz da elimizdeki elektron kaynakları nelerdir onlara bakalım.

Aslında elektron dediğimiz şey atomların çekirdekleri etrafında dönüp duran negatif yüklü atom altı parçacıklardır ve her türlü atomda bulunurlar. 

Ancak bize serbest halde dolaşabilecek, bir atomdan diğerine serbestçe geçebilecek elektron kaynakları lazım. 

Helyum gibi kararlı atomlardan, aslında soygazlar dediğimiz toplamda 7 değişik atomdan elektron kopartmak o kadar da kolay değil. 

Ancak bunların dışındaki atomlarda, yani diğer elementlerde eğer negatif iyonize olmuşlarsa fazladan elektronlar oluyor.

Periyodik tabloda soygazlar dışındaki tüm atomlar ya negatif ya da pozitif iyonize olurlar.

Zaten bu şekilde atomlar arasında kimyasal tepkime olur ve atomlar doğada moleküller halinde bulunurlar. 

Bu da doğadaki hemen her türlü elementten pil yapmanın mümkün olduğu anlamına gelir. 

İşte bu yüzden bilim insanları bu konu üzerinde çalışmışlar ve bugünlerde kullanılan lityum iyon pillerinde karar kılmışlar.

Lityum iyonu yörüngesinde serbest olan bir elektron ile bir elektron deposudur. 

Negatif iyonize olabilecek bir tek lityum elementi yok tabii ki.

Çoğunlukla metaller negatif iyonlaşmaya daha meyillidir. 

Bu yüzden magnezyum, bakır, kadmiyum, nikel, krom, çinko, alüminyum gibi metallerin tümünden pil yapılabilir.

Mesela bildiğimiz AAA tipi kalem pillerin çoğunda iyonize halinde çinko kullanılmaktadır.

***

Evet, bugünlerde çok kullanımda olan Lityum iyon pillerinin diğer birçok metale nazaran lityumun daha hafif bir element olması yüzünden pilin nispeten hafif olması, şarj edilebiliyor olması ve bu pillerin eski pillere göre daha çevre dostu olması gibi avantajları yanında, bir takım dezavantajları da var. 

Lityum iyon pillerinin en büyük dezavantajları üretim maliyetlerinin oldukça yüksek olması. Sonuçta lityumun kendisi dahil pil teknolojisinde kullanılan diğer maddelerin de fiyatları oldukça yüksek.

Bunun yanında lityum iyon piller tekrar şarj edilebiliyor olsalar da, tekrar tekrar şarj edilebilme sayıları da son zamanlarda yapılan diğer kimi pillerden oldukça az durumda. 

Bunun yanında bir de bu pillerin ısınma sorunları var ki, bu en tehlikeli yanları. Bu pillerin hatta fazla ısındıklarında patlama riskleri bile var.

İşte Li-ion pillerin bu dezavantajları yüzünden uzun süredir özellikle elektrikli otomobillerin de yavaş yavaş kullanıma başlanmasıyla farklı maddelerle pil üretimi üzerine Amerika başta olmak üzere gelişmiş ülkelerde oldukça çok araştırma yapılıyor.

Kimi henüz araştırma aşamasında olan bu yeni tip pillerden en çok öne çıkan ise Alüminyum İyon Grafin piller.

Dünkü yazımda alüminyum hava pillerinden bahsetmiştim. O pillerde şarj sorunu vardı. Alüminyum hava piller kullan at tipinde pillerdi.

Alüminyum İyon Grafin piller ise şarj edilebilir piller. 

Bu arada grafin aynı grafit gibi karbondan meydana gelen bir madde. Lityum iyon pillerde kullanılan grafit kurşun kalemlerin de hammaddesi olan karbon bazlı madde. Yani oldukça kırılgan bir malzeme. Pil içindeki kullanımı ince tabakalar şeklinde olduğu için bu kırılganlığı bir sorun teşkil ediyor anladığım kadarıyla.

Grafin ise moleküler dizilimi farklı olduğu için tam tersine kırılganlık açısından oldukça dayanımlı bir madde. 

Bu yeni pillerde kullanılan grafin tek atom kalınlığında çok ince bir tabaka halinde kullanılıyormuş. Oldukça hassas bir üretim teknolojisi var demek ki. Lityum iyon pillerde kullanılan grafit ise daha kalın oluyormuş, ancak yine de grafit oldukça kırılgan olduğu için üretim hataları çok daha fazla oluyor olabilir.

***

Gelelim alüminyum iyon grafin pillerin lityum iyon pillere nazaran avantajlarına.

Öncelikli avantajı maliyet fiyatı. 

Alüminyum doğal olarak lityumdan daha ucuz bir malzeme. Bir de lityum iyon pillerde kobalt ve nikel de kullanılan metaller ve bunlar da oldukça pahalı malzemeler.

Yani alüminyum iyon grafin piller maliyet açısından lityum iyon pillere nazaran çok büyük avantaja sahip.

Üretim maliyeti kadar önemli bir fark ise şarj edilme süresi. 

Bildiğiniz gibi bugünün pillerinde, özellikle de elektrikli araç pililerindeki en büyük sorun şarj süresi sorunu. Tam olarak pilin dolum süresi saatler alıyor. Daha az sürede yeterince şarj edilmeleri için yapılan çalışmalarda bu süre bir minimum 15 -20 dakikayı buluyor.

Bu oldukça uzun bir süre.

Alüminyum iyon pillerle bu sorunun tarihe karışacağı söyleniyor. 

Birkaç dakikada belli bir seviyeye kadar bu pillerin şarj edilebildiğini söylüyorlar.

Diğer bir avantajı da alüminyum iyonunda serbest halde üç elektron olduğu için lityum iyonunun serbest bir elektronuna karşı bu pillerin enerji depolama kapasitelerinin de üç kat kadar daha fazla olması. 

Bu da bir dolumda daha fazla yol gidilebilecek demek. 

Alüminyum hava pililerindeki gibi kapasite fazlalığı tam olarak üç kat mıdır bilmiyorum, ancak alüminyum iyon grafin pillerin kapasitelerinin lityum iyon pillerden daha fazla olduğunu biliyorum.

Alüminyum bazlı pillerin son bir avantajı, dün de yazmıştım, alüminyumun geri dönüşümü lityuma nazaran daha kolay oluyor.

***

Gelelim pil yapımında diğer bir yöntemlere.

İyon teknolojisi dışında bir de sülfür pil teknolojisi diye bir şeyin geliştirildiğinden bahsediliyor.

Lityum sülfür pillerin de lityum iyon pillere nazaran şarj edilebilme sayısının çok daha fazla olduğu söyleniyor. Bu da pil ömrünün daha uzun olması anlamına geliyor.

Cep telefonlarından biliyorsunuzdur, cep telefonlarının pilleri bir süre sonra şarj tutmaz, şarjı çabucacık bitiverir. 

İşte buna pilin kimyasal olarak tükenmesi deniyor. Lityum sülfür pillerin bu tükenme süresinin çok daha uzun olduğu söyleniyor. 

Bu da tükenmiş pilin yenisi ile değiştirilmesi ayrıca bir masraf olduğu için lityum iyon pillere nazaran lityum sülfür pillerin oldukça avantajlı olması anlamına geliyor.

Bu yeni piller ile aracın ekonomik ömrü boyunca pilin belki de hiç değiştirilmesine ihtiyaç olmayacağından bahsediliyor.

Ayrıca bu yöntemde artık kobalt ve nikele de ihtiyaç olmadığı için bu pillerin maliyetinin lityum iyon pillere nazaran daha da ekonomik olacağı ayrı bir avantaj olarak söyleniyor.

Bu teknolojinin alüminyum ile de uygulanması söz konusuymuş. 

Teknik olarak bu yapıldığında pil maliyetinin iyiden iyiye düşeceği söyleniyor. 

Ayrıca alüminyumun lityuma göre enerji kapasitesinin de daha fazla olacağını zaten tahmin ediyorsunuzdur.

***

Tüm bu çalışmaların yanında bir anlamda sürpriz gelişme ise tuz ve su pilleri. 

Tuzun enerji tutma kapasitesinin lityum ve alüminyuma nazaran daha düşük olmasını bir şekilde çözmüşler anlaşılan.

Amerika’nın şımarık zengini Elon Musk bu yeni teknolojinin pil üretiminde bir devrim olacağından bahsediyor. 

Tuz-su pillerinde diğer pililerdeki hiç bir dezavantajın olmadığını, kimyasal olarak kazalarda falan pilin zarar görmesi durumunda eliniz değse bile içindeki maddenin su-tuz karışımı olmasından dolayı kesinlikle insan sağlığı açısından zararsız olduğunu, ve bu konuya bu yüzden çok büyük yatırım yaptığından bahsediyor. 

Slogan olarak da lityumsuz bir dünya diyerek bugünlerde geleceğin pil teknolojisinin tuz esaslı piller olduğundan bahsediyor.

İki üç sene içerisinde bu çevre dostu tuz-su pillerinin kullanıma gireceği söyleniyor.

***

Pil konusunu bir başka pil üretim yöntemine değinmeden kapatmak olmaz.

Ne demiştik? 

Pil yapmak için serbest elektrona ihtiyacımız var demiştik.

Bir başka elektron kaynağı da nükleer atık malzemelerdeki beta bozunması. 

Beta bozunmasında elektron, alfa bozunmasında helyum atomu çekirdeği ve gama bozunmasında da foton ışıması oluyor.

Tabii bu ışınımlar radyoaktif ışınımlar olduğu için insan sağlığı açısından oldukça tehlikeli ışınımlar.

Güneşten gelen gün ışığı bile yeterinden fazla güneşte kalınırsa, bu tehlikeli radyasyonu ozon tabası tutuyor olsa da, insan sağlığı açısından oldukça tehlikeli bir durum denilebilir. 

Yine de bilim insanları işte bu radyoaktif atık malzemelerdeki beta bozunmasını kontrol altına alabilirlerse öyle birkaç günlük piller değil de her hangi bir dolum ihtiyacı olmadan yıllarca yetebilecek pillerin yapımı üzerine uzun süredir uğraşıyorlar.

Hem de bu şekilde nükleer reaktörlerden çıkan nükleer yakıt atıklarının yeniden değerlendirilmesi de planlanıyormuş.

Ancak bunu yapabilmenin oldukça zor ve pahalı olduğu söyleniyor. 

Şimdilik ancak özel amaçlar için bu tarz pillerin üretimi söz konusu olabilir deniyor. 

Yapılan çalışmalarda nükleer atıkların elmas kaplama yöntemi ile kontrol altına alınabileceği keşfedilmiş.

Böylece elmas kaplama yardımıyla kontrollü beta bozunması sağlanarak ilk nükleer prototip pillerin yapılması başarılı netice vermiş.

Ancak tahmin edeceğiniz gibi bu pillerin üretim maliyeti oldukça pahalı olacaktır ve bu kadar maliyetli pillerin kullanım alanı bulması da çok kolay değil.

Hem de bu pillerden elde edilebilen enerji miktarının da oldukça az olduğu söyleniyor.

Yani elektrikli otomobilleri çalıştırabilecek düzeyde elektrik üreten nükleer pil teknolojisi henüz geliştirilebilmiş durumda değil.

Bu durumda bu piller oldukça küçük ve düşük kapasiteli piller gibi görünüyor.

Yapılabilen birkaç deneme pil ile aktif volkan araştırmalarında kullanılan titreşim algılayıcılar çalıştırılmış.

Aktif volkanlarda, bir yandan lavlar akarken bu algılayıcıların pillerini değiştirme imkânı olmadığı için, çok az elektrik üretse de çok uzun ömürlü bu nükleer pillerin böyle yerler için iyi bir çözüm olduğu söyleniyor.

Belki ileride bu pillerin kalp pili olarak da kullanılması mümkün olabilir deniyor. Sonuçta insanın, üstelik kalp sorunu olan birinin sürekli ameliyat masasına yatması mümkün de değil. O yüzden tek bir ameliyat ile bu uzun dayanımlı piller tıp dalında da kullanıma yakında sunulacak gibi duruyor.

Bunun dışında uzay araçlarındaki kimi gereçlerde de bu pillerin kullanım alanı bulabilecekleri düşünülüyormuş. Özellikle uzak yerlere araştırma amaçlı gönderilen uzay araçlarında da ne kadar pahalı olursa olsun uzun dayanımlı enerji kaynağı olarak bu piller mantıklı bir çözüm olabilir.

***

Kısacası bilim insanları çeşit çeşit piller üzerine çalışıp duruyorlar.

Geleceğin pil teknolojisi bunlardan hangisi olur bilmiyorum. Hepsinin kendince avantajlı ve dezavantajlı yönleri var. Belki de hepsi bir yerlerde kullanım şansı bulabilirler.

***

İzlediğim bir videoda Türkiye’nin pil konusunda potansiyel pazar ülkeler arasında sayılması bir yandan cidden içime dokundu.

Biz milli otomobilimiz için kendimiz pil geliştirme üzerine niye çalışmıyoruz?

O kadar zor bir şey mi pil üretmek?

İnternette amatör girişimcilerin bile çeşit çeşit pil yapabildiklerini görüyorum. Daha profesyonel imkanlarla biz de kendi pil üretim tesislerimizi kolayca kurabiliriz bence.

Ne pazarı kardeşim, biz üreticiyiz, dünyaya biz satacağız ürettiğimiz pilleri demek istedim bir yandan Türkiye pazar ülkelerden biri dediklerinde.

Ama galiba haklılar. Bu kafa ile biz ancak başkalarına pazar oluruz.

Umarım yazıdaki bilgiler herkese faydalı olmuştur.

Moskova’dan yine sevgi ve saygılarımla.