Daha İyi Bir Pil Tasarlamak – Kobaltı Bırakın, TAQ’ı Getirin?

Researchers at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) have recently developed a new type of battery technology that forgoes the need for precious metals.  In their place? An organic cathode known as bis-tetraaminobenzoquinone or ‘TAQ’.

Pillerin Önemi

With the rise of EVs (Electric Vehicles) – largely thanks to American Tesla (TSLA ) and Chinese BYD and CATL – battery technology has become more important than ever as they are relevant not only for electronics, but also for mobility. And soon for the electric grid as well, in order to balance out the intermittency of renewable energies like wind and solar.

Küresel EV satışları – Kaynak: IEA

Bu güne kadar, pillerin baskın kimyası lityum-iyon teknolojisidir. Bu, bu pillerin kW/kg cinsinden ölçüldüğünde mevcut en yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmaları nedeniyle gerçekleşir. Bu metrik, mobilite uygulamalarında en önemli ölçüdür; çünkü her ekstra kilo pil, daha fazla pil ya da daha az menzil anlamına gelir.

Bu nedenle, EV’lerin otomobiller (ve belki kamyonlar ve hatta uçaklar) için muhtemel ana gelecek teknolojisi olduğu kanıtlandığından, pil teknolojisini geliştirmek için büyük çaba harcanmıştır.

Lityum-İon’dan Vazgeçmek?

Yüksek yoğunluğa sahip olmasına rağmen, geleneksel lityum-iyon teknolojisi kusursuz değildir. Çözülmesi gereken bir dizi sorun vardır:

• Yoğunluk, benzin ve dizel gibi sıvı yakıtlara kıyasla hâlâ oldukça düşüktür, bu da menzil kaygısına yol açar.
• Şarj biraz yavaş olabilir, bu da birçok sürücü ve ticari uygulama için bir sorundur.
• Piller pahalıdır, büyük ölçüde pahalı minerallere ihtiyaç duyulmasından kaynaklanır.
  • Bu, EV’lerin başlangıçta normal bir tüketici ürününden ziyade lüks bir ürün olmasına neden oldu.
  • Bu minerallerin madenciliği nadiren çevre dostudur ve genellikle kötü çalışma koşulları ve yoksul işçilerin ya da çocukların sömürülmesiyle birlikte gelir; özellikle Kongo’da kobalt durumunda.

Sonuç olarak, birçok alternatif kimya düşünülmüştür. Bu, şunları içerir ve bunlarla sınırlı değildir:

• LFP (Lityum-İron/Fosfat)
• sodyum-iyon
• katı hal piller
• lityum-sülfür
• grafen
• cam piller

Alüminyumun oksidasyonu has even been discussed as an alternative to batteries altogether. However, all of these alternatives have their limitations. This can include a shorter lifespan, manufacturing difficulty, etc.

(Bu teknolojilerin her birinin avantajlarını ve sınırlamalarını ayrıntılı olarak makalemizde tartıştık “Mobilitenin Geleceği – Pil Teknolojisi”).

En umut verici olanlar, katı hal piller gibi, hâlâ deney aşamasındadır ve ticarileşmeye hazır olanlar, LFP ve sodyum-iyon gibi, lityum-iyona göre daha düşük enerji yoğunluğuna sahiptir.

Bu düşük yoğunluklu piller için muhtemelen bir pazar vardır, çünkü üretimleri çok daha ucuzdur. Dünya üzerindeki pillerin yarıdan fazlasını üreten Çinli şirket CATL (300750.SZ), bu alandaki liderlerden biridir. Lider pil üreticilerini makalemizde tartıştık “Yatırım Yapılacak En İyi 10 Pil Hissesi”.

Yine de, nihayetinde ideal bir EV, ucuz ve güçlü bir pile sahip olmalıdır. Bu kombinasyon, özellikle ticari uygulamalarda, içten yanmalı motoru tamamen değiştirmek için muhtemelen gerekli olacaktır.

Lityum-İon Katot Sorunu

Lityum-iyonun çoğu sınırlaması, pilin katot kısmının kimyasal ve fiziksel özelliklerinden kaynaklanır. Katot genellikle kobalt gerektirir ve kobalt içermeyen potansiyel alternatiflerde bile genellikle nikel ve magnezyum gibi diğer maliyetli metallere ağır şekilde dayanır.

(EV’lere ve yenilenebilir enerjiye geçiş için gereken metaller makalemizde daha ayrıntılı olarak tartışıldı “En İyi 10 Pil Metali ve Yenilenebilir Enerji Madencilik Hisseleri”)

Bu metallerin madenciliği gerekir, kirliliğe neden olur ve çalışma koşulları genellikle berbat olur. Ayrıca toksiktirler, bu da pillerin geri dönüşümünü daha karmaşık bir görev haline getirir.

Kaynak: Visual Capitalist

Araştırmacılar karbon bazlı alternatiflere, yani sözde organik katotlara bakmaktadır. Şu ana kadar bu oldukça başarısız oldu, çünkü organik katotlar ya enerji yoğunluğu çok düşük ya da EV’lerin sık şarj-deşarj döngülerinde kullanılacak kadar dayanıklı değildi.

Bu, MIT araştırmacılarının yukarıda bahsedilen keşfi sayesinde değişmiş olabilir.

Yeni Bir Organik Katot Türü

Prof. Mircea Dincă, MIT’de W.M. Keck Enerji Profesörü olarak çalışan, son zamanlarda katot uygulamaları için daha önce test edilmemiş yeni organik bileşenleri araştırdı. Daha önce incelenen organosülfür ve karbonil bileşenleri yerine, TAQ (bis-tetraaminobenzoquinone) adlı bir bileşiğe baktı. Ekibi, bu kimyasalın süperkapasitör malzemesi olarak potansiyelini daha önce göstermişti.

TAQ, pilde kullanılma potansiyeline sahiptir, çünkü “katmanlı katı hal yapıları, geleneksel kobalt bazlı katot performansıyla potansiyel olarak rekabet edebilir.”

Kendiliğinden bu yeterli olmazdı. MIT araştırmacıları ayrıca TAQ’nun katotun paslanmaz çelik akım toplayıcısına yapışmasını nasıl artıracaklarını buldular ve yeni kavram kanıtı katot prototipinin stabilitesini iyileştirdiler.

TAQ’ya selüloz ve kauçuk içeren malzemeler ekleyerek, güvenli bir şekilde 2.000’den fazla şarj-deşarj döngüsü elde ettiler. Enerji yoğunluğu da kobalt bazlı katotlardan daha yüksekti ve şarj süresi 6 dakikadan az sürdü.

Sırada Ne Var?

Bu şu an için bir laboratuvar prototipidir ve tam bir EV pil paketi boyutuna ölçeklendirmek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyulacak — ayrıca bu yeni pil kimyası için ölçeklenmiş bir üretim süreci oluşturmak için daha fazla çaba gerekecek.

Yine de, organik bir katotun kobalt bazlı lityum-iyon tasarımlarını her önemli ölçütte (enerji yoğunluğu, malzeme maliyeti ve şarj hızı) geride bıraktığı ilk kezlerden biridir.

Bu, lityum-iyon kimyasının, etik ve çevresel sorunlara yol açan metallere bağımlılığını çözebildiği sürece ana akım pil kimyası olarak kalabileceğini gösteriyor.

Prof. Dincă’nın araştırmasının bir diğer kanıtı, organik katotların büyük potansiyele sahip olduğu ve bu uygulama için henüz test edilmemiş binlerce başka organik bileşiğin olabileceğidir. Bu yüzden TAQ, kobalt ve nikelin yerini alacak kadar yeterli olmasa bile, TAQ’ye benzer diğer kimyasallar bunu başarabilir.

Lityum-iyon tasarımları ayrıca büyük bir mevcut tedarik zinciri ve üretim altyapısından faydalanır. Yeni kimyalar için batarya fabrikalarını sıfırdan yeniden inşa etmek yerine sadece katotu değiştirmek çok daha kolay olur. Bu yüzden, lityum-iyonun iyileştirilmesi iş açısından çok mantıklı olabilir.

Ayrıca organik katotların diğer pil tipleri için de tartışıldığını belirtmek gerekir; örneğin alüminyum-iyon, sodyum/potasyum-iyon, çinko veya kalsiyum bazlı çift iyon piller. Bu yüzden TAQ’nun özelliklerinin keşfi, lityum-iyon dışındaki diğer pil tiplerine de uygulanabilir.

Her neyse, pillerdeki organik bileşenler geri dönüşümünü kolaylaştıracak; bu konuyu (yatırım fırsatı) makalemizde derinlemesine ele aldık “Li-ion İkilemini Ele Almak: Artan Elektrifikasyon Dünyasında Kullanılamaz Pil Hücrelerinin Bertarafı”.

Organik Katot Şirketleri

Volkswagen AG

Prof. Mircea Dincă’nın araştırması, Audi’nin bir yan kuruluşu ve Volkswagen Grubu’na ait Automobili Lamborghini S.p.A. tarafından finanse edildi. Organik katot teknolojisi için bir patent başvurusu zaten yapılmış durumda.

Alman otomobil üreticisi, sadece Toyota’nın ardından dünyanın ikinci büyük otomobil üreticisidir. Şirket bir dönem EV teknolojisinde geri kalmıştı ancak o zamandan beri, özellikle ID araba serisi ve çeşitli hibrit modellerle yakalamak için çok çalıştı.

Kaynak: Volkswagen

2033 yılına kadar, Volkswagen Grubu Avrupa’da sadece EV üretmeyi planlıyor.

MIT araştırmacılarıyla iş birliği, EV’lerle ilgili diğer birçok ortaklığın sadece bir tanesidir; bunlar şunları içerir:

• Renault ile 20.000 euroluk bir EV ortaklığı.
• Çinli Xpeng’e EV satışlarını artırmak için 700 milyon dolarlık yatırım.
• Çinli SAIC Motor ile EV platformları temin etme ortaklığı Volkswagen.
• Jetta Motor ile EV teknolojisi edinme ortaklığı.
• 492 milyon dolarlık bir ortaklık Magna ile ikonik Scout SUV’ları bir EV olarak canlandırmak için

EV’lerle ilgili iddialı planları ve önde gelen Çinli şirketlerden gelişmiş EV teknolojisine erişimi sayesinde, Volkswagen MIT’nin organik katot patentli teknolojisine bakmak ve gelecekteki EV’lerinde ölçekli olarak uygulamak için iyi bir konumdadır.

Diğer Organik Pil Şirketleri

Yeni katotlar geliştirmeseler de, iki startup organik bileşenleri anot performansını artırmak için kullanıyor, Store Dot ve EnergyX.