Düzensiz Kaya Tuzu: Oksijen Mobilitesini Ele Almanın Pil Teknolojisinde Çığır Açması

Dünya genelinde pil talebi artıyor, artırılan kullanımları otomotiv endüstrisinde, taşınabilir tüketici elektroniğinin popülaritesinin yükselmesi ve sıkı çevre düzenlemeleri tarafından yönlendiriliyor. Sonuç olarak, küresel pil pazarı 2023’te yaklaşık 120 milyar dolar iken 2036’da 800 milyar dolara ulaşması öngörülüyor.

Bu beklenen büyüme ışığında, araştırmacılar pilin kritik parçalarını iyileştirecek yeni malzemeler ve kimyasallar geliştirmeye ve test etmeye devam ediyor; bu parçalar enerji çıktısı, enerji depolama, güç kapasitesi ve döngü kapasitesi gibi özellikleri etkiliyor.

Bu bileşenler bir katot (pozitif elektrot), bir anot (negatif elektrot), elektrotlar arasında iyon taşıyan bir elektrolit ve bir ayırıcıyı içerir.

Bugün çoğu pil destekli cihaz, elektrikli araçlar, akıllı telefonlar ve enerji depolama sistemleri gibi, lityum‑iyon pil teknolojisine dayanıyor. Lityum‑iyon piller, kompakt boyutlarda çok büyük miktarda enerji depolayabilir, hızlı şarj olur ve uzun ömürlüdür.

Bununla birlikte, daha yüksek kapasiteli pillerin artan talebiyle, verimliliği artırmak, maliyeti düşürmek, güvenliği geliştirmek ve sürdürülebilirliği teşvik etmek için yeni teknolojiler araştırılıyor ve geliştiriliyor.

Yıllar içinde, sürekli araştırma lityum‑iyon ve kurşun‑asit pillerine umut vadeden alternatifler sunan ilerlemelere yol açtı.

Sodyum‑iyon piller, daha uygun maliyetli ve daha güvenli bir seçenek sunar; düşük sıcaklıklarda daha iyi performans gösterir. Bu piller lityum‑iyon pillere benzer, ancak elektrolit olarak tuzlu su kullanır; bu da onları enerji depolama için daha uygun kılar, ancak hâlâ optimize edilmesi gerekiyor. Araştırmacılar, nanotel örgüleri daha dayanıklı ve pil kullanımına uygun hâle getirmek için elektrolit jeli de kullanıyor.

Katı hâl piller, diğer yandan, jel ya da sıvı elektrolit yerine cam, seramik veya polimer gibi katı bir elektrolit kullanır. Bu piller çok daha verimlidir, daha hafiftir, daha hızlı şarj olur ve zaten akıllı telefonlarda ve kalp pilleri gibi cihazlarda kullanılmaktadır. Toyota ve BMW şu anda katı hâl pil‑güçlü araçların lansmanını çalışıyor, ancak bunun birkaç yıl daha süreceği bekleniyor.

Yeni pil teknolojileri arasında ayrıca maliyet açısından verimli ancak dayanıklılık sınırlaması olan lityum‑kükürt piller ve kobalt madenciliğindeki insan hakları endişelerini azaltabilecek kobalt‑siz lityum‑iyon piller bulunuyor. Ancak TAQ gibi alternatifler hâlâ yeni ve daha fazla test gerektiriyor.

Çinko‑bazlı piller de inceleniyor; çinko‑mangan dioksit, çinko‑hava, çinko‑brom ve çinko‑iyon piller gibi teknolojiler mevcut. Ancak bunlar verimsiz, bazen beklenmedik kimyasal dönüşüm reaksiyonları içeriyor ve üretimi pahalı; daha fazla araştırma gerekiyor.

Dünya giderek daha fazla pile bağımlı hale geldikçe, bilim insanları küresel ölçekte depolama süresi, güç çıkışı, üretim maliyeti ve anlık hazır bulunma konularında çığır açmaya odaklanıyor.

En Son Pil Çığır Açması: Kaya Tuzu‑Polianion Katotları 

Yeni araştırma, pilin pratik enerji yoğunluğunu artırmada bir ilerleme kaydetti. Geçen ayın sonunda Nature Energy dergisinde yayımlanan “Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling” başlıklı çalışma, MIT Nükleer Bilim ve Mühendislik Bölümü tarafından yürütüldü.

Çalışma, on yılı aşkın süredir lityum‑iyon pillerde gelişmiş katot malzemesi olarak incelenen düzensiz kaya tuzunda bulunan yeni bir katot malzemesine odaklanıyor.

MIT araştırmacıları, bu malzemenin elektrikli araçlar, cep telefonları ve yenilenebilir enerji depolama için yüksek enerjili, düşük maliyetli bir depolama oluşturabileceğini garanti etti.

Tokyo Elektrik Şirketi Nükleer Mühendislik Profesörü Ju Li liderliğindeki ekip, yeni malzeme olarak DRXPS, yani düzensiz kaya tuzu‑polianionik spineli keşfetti.

Polianionlarla bütünleştirilmiş kısmen düzensiz bir kaya tuzu katotunun bu yeni sınıfı, yüksek voltajlarda yüksek enerji yoğunluğu ve geliştirilmiş döngü kararlılığı sağlıyor. Bu, katot malzemelerinde genellikle enerji yoğunluğu ile döngü kararlılığı arasında bir ödünleşme olduğu göz önüne alındığında büyük bir başarıdır.

“Bu çalışmayla, yeni katot kimyaları tasarlayarak sınırları zorlamayı amaçlıyoruz.”

– Yimeng Huang, makalenin birinci yazarı ve NSE’de postdoc

Peki yeni malzeme ailesi hem yüksek enerji yoğunluğunu hem de iyi döngü kararlılığını nasıl sağlıyor? Cevap, iki ana katot malzemesinin — kaya tuzu ve polianionik olivin — entegrasyonunda yatıyor. Birleştirildiğinde her iki malzemenin faydaları elde edilebiliyor.

Burada bir diğer etken ise, Dünya’da bol miktarda bulunan, sert, gümüşi bir metal olan ve günümüz katotlarında kullanılan diğer elementlerden çok daha ucuz olan manganez (Mn)’dir.

Örneğin, Manganez, Kobalt (Co)’dan yaklaşık otuz kat, Nikel (Ni)’den ise beş kat daha ucuzdur; her iki element de genellikle pillerde kullanılır. Ayrıca, Manganez daha yüksek enerji yoğunluklarına ulaşmada kritik bir rol oynar.

“(Böyle bir) malzemenin çok daha yerel bulunması büyük bir avantaj.”

– Li, malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü

Araştırmacıların belirttiği bu avantaj, karbon nötr bir gelecek için büyük bir değer taşıyor; bu gelecek yenilenebilir enerji altyapısı gerektiriyor.

Piller, bu geçişte önemli bir rol oynayabilir; elektrikli araçlarla ulaşımın karbonunu azaltma ve güneş ile rüzgar enerjisinin kesintiliğini dengeleme potansiyeline sahiptir. Yenilenebilir enerji kaynakları 24/7 mevcut olmadığından, enerji depolama, bu kaynakların gece ya da bulutlu ve sakin günlerde mevcut olmadığı zamanlarda güç sağlamak için hayati öneme sahiptir.

Araştırmacılar ayrıca kobalt ve nikel gibi malzemelerin nispeten nadir ve pahalı olduğunu belirtiyor. Bu malzemeleri elektrik depolama kapasitesini hızlı bir şekilde ölçeklendirmek için kullanmak, maliyetlerde büyük artışlara ve malzeme kıtlıklarına yol açabilir. Li’ye göre:

“Enerji üretiminin, ulaşımın ve daha fazlasının gerçek anlamda elektrifikasyonunu istiyorsak, kesintili fotovoltaik ve rüzgar enerjisini depolamak için yerel olarak bol bulunan piller gerekir. Bunun hayaline giden adımlardan birinin bu olduğunu düşünüyorum.”

Mevcut Malzemelerde Oksijen Mobilitesi Engelini Aşmak

Honda Research Institute USA Inc. ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki Molecular Foundry tarafından finanse edilen çalışma, düzensiz kaya tuzu katotlarının karşılaştığı başlıca zorluklardan birini ele aldı.

Daha önce belirtildiği gibi, malzeme son derece yüksek kapasitesi nedeniyle incelenmiştir. Geleneksel katot malzemelerinin 190‑200 mAh/g arasında bir kapasitesi varken, bu malzeme 350 mAh/g kadar yüksek bir kapasite sunmaktadır.

Ancak, çok yüksek kapasite sunmasına rağmen, malzeme çok kararlı değildir. Bu, kısmen oksijen redoksundan kaynaklanmaktadır; katot malzemelerinde oksijen atomlarının yakınındaki elektron yoğunluğunu kullanma sürecidir.

Oksijen redoks, katot yüksek voltajlarda şarj edildiğinde aktive olur, oksijeni hareketli hâle getirir ve ardından elektrolitle reaksiyona girerek malzemenin bozulmasına yol açar. Bu durum, uzun süreli döngüden sonra malzemenin kullanılmaz hâle gelmesine neden olur.

Bu zorlukları aşmak için araştırmacılar malzemeye bir başka element ekledi: fosfor (P). Yumuşak, balmumu gibi bir katı olan fosfor, oksijeni yerinde tutan bir yapıştırıcı gibi çalışarak malzeme bozulmasını azaltıyor.

Ancak sadece fosfor eklemek yeterli değil. En önemli yenilik, doğru miktarda fosfor eklenmesidir. Uygun miktarda P eklemek, “komşu oksijen atomlarıyla polianiyonlar oluşturarak kation eksikliği olan bir kaya tuzu yapısına sabitleyen” bir yapı oluşturdu, Li açıkladı.

Oksijen ile fosfor arasındaki güçlü kovalent bağ, araştırmacıların oksijen taşımasını sonlandırmasını sağladı. Bu sayede, oksijenin katkıda bulunduğu kapasiteyi aynı anda kullanarak iyi bir kararlılık elde ettiler.

Bu yüksek voltajlarda pilleri şarj etme yeteneği, depolanan enerjiyi yönetmek için daha basit sistemler kullanılabilmesini sağladığı için önemlidir.

“Enerjinin kalitesinin daha yüksek olduğunu söyleyebilirsiniz. Hücre başına voltaj ne kadar yüksek olursa, pil paketinde onları seri bağlamaya o kadar az ihtiyaç duyulur ve pil yönetim sistemi o kadar basit olur.”

– Li

Bu çalışma sadece bir başlangıç; ekip şimdi manganez, lityum, oksijen ve fosforun farklı oranlarını, ayrıca silikon, kükürt ve bor gibi diğer polianiyon oluşturan elementlerin çeşitli kombinasyonlarını araştıracak.

İleriye dönük olarak, araştırmacılar malzemenin üretiminde yeni yollar araştıracak; özellikle ölçeklenebilirlik ve morfolojiye odaklanacaklar. Mevcut çalışma, mekanokimyasal sentez için yüksek enerjili top çarkı kullanıyor; bu yöntem, yaklaşık 150 nm boyutunda, düzensiz morfolojiye ve parçacıklara yol açıyor ve ayrıca ölçeklenebilir değil.

Bu nedenle, araştırmacılar daha uniform bir morfoloji ve daha büyük parçacıklar elde etmek için alternatif sentez yöntemleri deniyor. Bu, malzemenin hacimsel enerji yoğunluğunu artırmaya yardımcı olacak ve pil performansını iyileştirebilecek kaplama yöntemlerini deneme imkanı sağlayabilir. Gelecek yöntemlerin endüstriyel olarak da ölçeklenebilir olması gerekiyor.

Bir diğer sorun da iletkenlik; bu, düzensiz kaya tuzu malzemesine önemli miktarda karbon eklenerek artırıldı. Aslında, karbon katot macununun ağırlığının %20’sini oluşturuyor; çünkü malzeme kendi başına iyi bir iletken değil.

Dolayısıyla, araştırmacılar elektrottaki karbon içeriğini azaltmayı da inceleyecekler. Performansı düşürmeden bunu başarabilirlerse, pille daha yüksek bir aktif malzeme içeriği ekleyerek pratik enerji yoğunluğunu artırabilirler.

Bu amaçla, karbon nanotüplerin kullanılmasını düşünüyorlar; bu, ağırlıkça sadece yüzde bir‑iki karbon içeriğine düşürerek aktif katot malzemesinin önemli ölçüde artmasını sağlayabilir. Ancak mevcut çalışmada, daha az verimli bir nanosphere tabanlı iletken karbon olan Super P kullanıldı.

Başka bir iyileştirme, kalın elektrotların kullanılması; bu da pilin pratik enerji yoğunluğunu daha da artırır.

Ekip malzeme bileşimini optimize edip, kalın elektrotlar geliştirip, uniform kaplamalar için daha iyi morfoloji elde edip, karbon içeriğini düşürüp, ölçeklenebilir sentez yöntemlerini benimserse, DRXPS katot ailesinin elektrikli araçlar, şebeke depolama ve tüketici elektroniği uygulamaları için son derece umut vaat ettiğini görüyorlar.

Piller Alanında İlerleme Kaydeden Şirketler

Birçok şirket bu alanda ilerlemeye katkı sağlıyor ve hatta daha fazla şirket bu gelişmelerden fayda görecek.

Umicore (UMICY), özellikle katot teknolojileri üzerine odaklanan, sürdürülebilir ve ileri malzemeler geliştiren bir pil malzemeleri şirketidir. Lithium Americas Corp. (LAC) bir lityum tedarikçisidir ve Vale (VALE) ise demir ve manganez üretiminde küresel bir liderdir. Şimdi birkaç önde gelen isme bir göz atalım:

#1. Albemarle Corporation (ALB)

Büyük bir lityum üreticisi olan Albemarle, ağırlığı azaltmak ve menzili uzatmak için enerji yoğunluğu artırılmış pil teknolojileri geliştirmektedir. Şirket, EV pilleri için dünyanın en büyük lityum üreticilerinden biridir. Şirketin temiz enerji talebini karşılamak için sundukları arasında katot çözümleri, anot çözümleri, elektrolit çözümleri ve pil kasaları bulunur.

9,84 milyar dolar piyasa değerine sahip Albemarle hissesi şu anda 83,66 dolar seviyesinde işlem görmekte ve YTD %41,6 düşüş göstermektedir. EPS (TTM) -4,73, P/E (TTM) -17,67 ve temettü getirisi %1,94. 2024 Q2’de şirket net satışlarını 1,4 milyar dolar ve ayarlanmış EBITDA’sını 386 milyon dolar olarak açıkladı. Operasyon nakit akışı ise bir önceki yıla göre 289 milyon dolar artarak 363 milyon dolar oldu. Albemarle ayrıca 150 milyon doların üzerindeki verimlilik faydaları sağladı.

#2. QuantumScape (QS)

QuantumScape, katı hâl lityum‑metal pillerinin geliştiricisidir ve enerji depolamayı dönüştürmeyi hedeflemektedir. Şirket, malzeme maliyetlerini düşüren ve yüksek enerji yoğunluğu sağlayan endüstri’nin ilk anot‑siz hücre tasarımını geliştirdi. Bu yıl QuantumScape, Volkswagen’un pil şirketi PowerCo ile ortaklık kurarak, QuantumScape teknolojisi platformuna dayalı pil hücrelerini kitlesel üretme lisansı aldı.

2,75 milyar dolar piyasa değerine sahip QuantumScape hissesi şu anda 5,51 dolar seviyesinde işlem görmekte ve YTD %19,78 düşüş göstermektedir. EPS (TTM) -0,95 ve P/E (TTM) -5,78. 2024 Q2’de şirket 18,9 milyon dolar sermaye harcaması gerçekleştirdi; GAAP operasyon giderleri 134,5 milyon dolar oldu. Likidite ise çeyrek sonunda 938 milyon dolar seviyesindeydi.

Sonuç

Pillerin geniş kullanım alanı ve pazar büyüklüğü göz önüne alındığında, yeni ve gelişmiş pil teknolojileri yoğun bir şekilde araştırılıyor ve geliştiriliyor. En son çalışmada, yeni katot malzemesi “1.100 Wh kg⁻¹ üzerindeki yüksek gravimetrik enerji yoğunlukları ve 100 döngüde %70’in üzerindeki tutma” sergileyerek, Mn ve Fe gibi yerel olarak bol bulunan elementlerden yapılan pil katotları için kapıyı araladı.

Lityum‑iyon piller, temiz enerji geçişinin kritik bir parçası olarak görülüyor; bu tür çalışmalar, “ucuz, yüksek performanslı katot malzemeleri” geliştirerek büyümelerini ve fiyat düşüşlerini sürdürebilmelerini sağlıyor.

Bu, enerji depolama için umut vadeden bir geleceğe işaret ediyor; artan küresel talebi karşılayabilme ve çevresel etkiyi en aza indirme potansiyeline sahip.

Yatırım yapmak için en iyi on pil hissesinin listesine buradan ulaşabilirsiniz.