Lityum‑İyon Bataryalarını Geliştirmek: Yeni Grafen Teknolojisi Mevcut Çözümlerden 10 Kat Daha Yüksek Isı İletkenliğine Sahip

Grafen & Piller

Battery technology is quickly evolving, with dozens of competing alternative chemistries challenging the dominance of lithium-ion batteries, whose keşfi 2019 yılında Kimya Nobel Ödülü ile ödüllendirildi.

Bu alternatiflerden biri grafen kullanan pillerdir.

Bunun nedeni, grafenin tek bir karbon atomu tabakasından oluşan bir “mucize madde” olmasıdır. Bu, ona olağanüstü elektriksel özellikler kazandırır. Grafen ve borofen ve goldene gibi diğer “2D malzemeler” hakkında daha fazla bilgiyi “2D Materials, Like Graphene, Open New Frontiers In Material Sciences” başlıklı yazımızda açıkladık.

Elektriksel özellikler, grafeni olağanüstü kılan tek özellik değildir. Aynı zamanda termal iletkenliğiyle de dikkat çeker ve ısıyı son derece hızlı bir şekilde aktarabilir.

Kaynak: GMG

Bu termal özellik, pil teknolojisi için dönüştürücü bir etki yaratabilir ve paradoksal olarak, grafen, grafen bazlı piller de dahil olmak üzere alternatif kimyalar arasında lityum‑iyon pillerin hâkim pil teknolojisi olarak kalmasına yardımcı olabilir.

Bu, Galler’deki Swansea Üniversitesi (UK) araştırmacılarının, Wuhan Teknoloji Üniversitesi ve Shenzhen Üniversitesi (Çin) iş birliğiyle yaptığı bir keşif sayesinde gerçekleşebilir. Sonuçlarını, Nature Chemical Engineering dergisinde “Large-scale current collectors for regulating heat transfer and enhancing battery safety” başlıklı bilimsel bir makalede açıkladılar.

Grafen Sınırlamaları

Teorik olarak, grafen bir mucize madde olup pil üretiminden elektriği kullanan her şeye, bilgisayarlar ve güneş panelleri dahil, hatta beton ve kan dolaşımımızdaki nanorobotlar gibi birçok sektörde devrim yaratmalıdır.

Pratikte, grafen birkaç sınırlamaya sahiptir:

• Üretim ölçeğinde: Grafiti bir parçasına Scotch bant uygulanması, grafeni keşfetmek için yeterliydi. Ancak kitlesel üretim için Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) gibi çok daha karmaşık yöntemler gereklidir.
• Maliyetler: çoğu üretim yöntemi ve mevcut cihazlara uygulamaları genellikle küçük ölçekli veya özel olup, 2D malzemeler oldukça pahalı kalmıştır. Gerçek fiyat, saflığa bağlı olarak büyük ölçüde değişebilir; örneğin grafen $20-2.000/kg arasında değişmektedir.

Elbette, bu iki sorun birbirine bağlıdır; üretimin küçük ölçeği maliyetleri artırmaktadır. Şu ana kadar, bu durum grafenin kitlesel benimsenmesini ciddi şekilde engellemiş ve bu malzemenin vaatlerinin çoğu, 2004’teki keşfine rağmen henüz gerçekleşmemiştir.

Grafen bazlı malzemenin büyük hacimlerde üretilme yeteneği, hem maliyetleri düşürmek hem de endüstriyel ölçekli uygulamalara izin vermek için anahtardır.

Bu tamamen üretim ve teknolojiyle ilgili bir sorundur; grafen, bol ve ucuz bir malzeme olan karbondan yapılmıştır. Bu nedenle, platin veya palladyum gibi nadir metaller kullanılan hidrojen üretim katalizörleri gibi nadir malzeme sorunlarından etkilenmez.

Bu bağlamda, grafen, enerji sistemlerimizi gerçekten devrim niteliğinde değiştirme potansiyeline sahiptir ve büyük ölçekte kullanıldığında kaynak tükenmesinden kaynaklanan sınırlamalara takılmaz.

Kilometrelerce Grafen Üretmek

Bu büyük ölçekli üretim sorunu, yukarıda bahsedilen makaledeki araştırmacıların kısmen çözdüklerini iddia ettikleri konudur.

Araştırmacıların yayını “ticari ölçekte kusursuz grafen folyo üretimi için ilk başarılı protokolü detaylandırıyor”.

Bilimsel makalede açıklanan yöntem, grafen folyo uzunluklarını metrelerden kilometrelere kadar üretmek için kullanılabilir.

Kitlesel üretim için tasarlanmamış bir laboratuvar ortamında bile, 17 mikrometre kalınlığında 200 metre uzunluğunda bir grafen folyo üretmeyi başardılar.

Bu folyo ayrıca dikkat çekici derecede dayanıklıdır ve 100.000 kez bükülmesinden sonra bile yüksek elektriksel iletkenliğini koruduğu gösterilmiştir.

Bu nedenle, grafenin güçlü akımlar taşıdığı esnek elektronik, endüstriyel üretim ve diğer uygulamalarda kullanılabileceği güvenle varsayılabilir.

Grafen Folyo Ne Yapabilir?

Lityum‑iyon piller, termal kaçak adı verilen bir riskle karşı karşıyadır. Bu, pilin bir bölümünde aşırı ısının birikmesiyle meydana gelir ve genellikle tehlikeli yangınlar veya patlamalarla sonuçlanan pil arızalarına yol açar.

Bu sorun, birçok araştırmacı ve pil şirketinin sodyum‑iyon gibi alternatif kimyalarla lityum‑iyonun ötesine bakmasının temel nedenlerinden biridir. Birçok alternatif çözüm araştırılmaktadır; örneğin jel elektrolitler.

Termal kaçak çoğunlukla pilin akım toplayıcılarında meydana gelir; burada en fazla güç yoğunlaşır. Mevcut lityum‑iyon pilllerde akım toplayıcılar genellikle alüminyum veya bakırdan yapılır.

Araştırma ekibi tarafından geliştirilen grafen folyo ile yapılan grafen akım toplayıcıları, 1.400,8 W m⁻¹ K⁻¹ kadar yüksek bir termal iletkenliğe sahiptir. Referans olarak, bu değer bakır ve alüminyum bazlı akım toplayıcılara göre neredeyse 10 kat daha yüksektir.

Kaynak: Nature Chemical Engineering

 Lityum‑İyon Piller İçin Sonuçlar

Grafen folyo çok hızlı bir ısı dağılımı gösterdiği için, akım akarken yerel ısı yoğunlaşma riskini ortadan kaldırır.

Bunun sonucunda, alüminotermik ve hidrojen evrimi reaksiyonları gibi, pil arızasının yayılmasına ve yangın tehlikesine yol açan kritik adımların riskleri ortadan kalkar.

“Yoğun, hizalanmış grafen yapımız, yanıcı gazların oluşumuna karşı sağlam bir bariyer sağlar ve oksijenin pil hücrelerine nüfuz etmesini engeller; bu, felaket sonuçların önlenmesi için kritik öneme sahiptir,”

Dr Jinlong Yang, co‑lead author

Daha da önemlisi, bu yöntem grafen folyonun kitlesel üretimiyle uygulanabilir olduğu kanıtlanmıştır. Bu nedenle, mevcut pil üretim süreçlerine hızlı bir şekilde entegre edilebilir.

“Bu, pil teknolojisi için önemli bir ilerleme adımıdır. Yöntemimiz, grafen akım toplayıcılarının ölçek ve kalite açısından ticari pil üretimine kolayca entegre edilebileceği bir üretim imkanı sunar. Bu sadece ısıyı verimli bir şekilde yöneterek pil güvenliğini artırmakla kalmaz, aynı zamanda enerji yoğunluğunu ve ömrünü de iyileştirir.”

Dr Rui Tan, co‑lead author

Grafen Folyo Uygulamalarının Geleceği

Araştırmacılar, grafen folyo kalınlığını azaltmanın ve mekanik özelliklerini daha da iyileştirmenin yollarını zaten araştırıyorlar.

Ayrıca, Swansea Üniversitesi’ndeki başka bir araştırma ekibiyle, Prof. Serena Margodonna liderliğinde, grafen folyonun daha iyi akış pilleri ve sodyum‑iyon pilleri tasarlamaya nasıl yardımcı olabileceğini inceliyorlar.

Önceden dalga büyümesinden kaynaklanan pil arızası riskini ortadan kaldıran bal peteği lityum‑iyon piller hakkında tartışmıştık. Eğer termal kaçak da grafen folyo sayesinde bastırılabilirse, bu lityum‑iyon pilleri mevcut sürümden çok daha güvenli ve dayanıklı hâle getirebilir.

Kaynak: Chemistry Europe

Bu, pil teknolojisinin bir nişindeki çoğu yeniliğin diğer tasarımlarda da kullanılabilir hale gelmesi ve sektörün hızlı ilerlemesine katkı sağlaması modelini izlemektedir.

(You can also learn more about battery technology in our articles “The Future of Mobility – Battery Tech” and “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.)

Pil Teknolojisine Yatırım

Lityum‑iyon piller, insanlara gelişmiş elektronik cihazları her yere taşıma imkanı vermekten, sadece elektrikle çalışan arabaları güçlendirmeye kadar dünyayı birkaç kez değiştirdi.

Yüzde 100 yenilenebilir enerji şebekesi sağlama veya yeterli enerji yoğunluğuna ulaşıldığında uçakların elektrifikasyonu gibi imkanlarla, yine ya da başka pil türleriyle bu değişimi sürdürebilirler.

Birçok aracı kurum aracılığıyla pil ile ilgili şirketlere yatırım yapabilirsiniz ve securities.io’da, ABD, Kanada, Avustralya, Birleşik Krallık, diğer birçok ülke için en iyi aracı kurum önerilerimizi bulabilirsiniz.

Belirli pil şirketlerini seçmek istemiyorsanız, Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’in Lithium & Battery Tech ETF (LIT) veya WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ) gibi pil ETF’lerine de göz atabilirsiniz; bu fonlar, büyüyen pil sektöründen faydalanmak için daha çeşitlendirilmiş bir maruziyet sağlar.

Veya “Yatırım Yapılacak En İyi 10 Pil Hissesi” ve “En İyi 10 Pil Metali & Yenilenebilir Enerji Madencilik Hissesi” başlıklı makalelerimize göz atabilirsiniz.

Pil Şirketleri

1. Veeco

Veeco, 1945’te kurulmasından bu yana yarı iletken üretim endüstrisine ekipman sağlayan büyük bir tedarikçi olmuştur. Makinaları, gelişmiş EUV çip üretimi, 5G antenleri, sabit diskler, LIDAR, LED’ler, elektrikli araçlar için güç elektroniği vb. üretimlerde kullanılmaktadır.

Kaynak: Veeco

Şirketin ana teknoloji odak noktası, borofen ve bazı grafen üretiminde kullanılan aynı CVD sürecidir; daha doğrusu MOCVD (Metal‑Organik Kimyasal Buhar Biriktirme).

Kaynak: Veeco

Yarı iletken endüstrisinin bu niş segmentinde lider konumda olan Veeco, daha fazla CVD uygulamasının artışı üzerine yatırım yapmak için iyi bir aday olabilir.

Bu büyüme, grafen, tungsten ve borofen kullanımının artmasıyla ortaya çıkabilir; çünkü atom seviyesinde maddeyi manipüle etme becerimiz giderek gelişiyor. Bu, grafen ince film yanı sıra potansiyel grafen yarı iletkenler, süperiletkenler vb. içerir.

Ayrıca, dijitalleşme, yapay zeka ve elektrifikasyon gibi büyük trendlerden de fayda sağlayacaktır; 2D malzemeler yoğun şekilde kullanılmasa bile.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG, ısı kaplamaları ve yağlayıcılar gibi kanıtlanmış grafen bazlı ürünlere odaklanan bir grafen üreticisidir.

Bu, GMG’yi grafen pazarına doğrudan maruziyet arayan yatırımcılar ve grafeni kitlesel üretimle meşgul olan ve mevcut üretim yöntemini geliştiren bir şirket için iyi bir seçenek haline getirir.

Kaynak: GMG

Bazı diğer potansiyel uygulamalar arasında grafen yarı iletkenlerinin oluşturulması (bkz. “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”) ya da hatta oda sıcaklığında süperiletkenler yer alabilir. Grafen kaplamalar, pillerde ve hidrojen basınçlı kap teknolojilerinde de kullanılabilir.

Kaynak: GMG

GMG, grafenini metan + hidrojenden üretir; bu, çoğu rakibinin doğal grafit yataklarından üretmesinden farklıdır. Bu yöntem daha yüksek saflık, daha fazla ölçeklenebilirlik ve düşük maliyetli üretim sağlar.

Şirket, 2023 yılında Avustralya’da ilk üretim tesisini açtı ve yılda 1 milyon litre ısı değiştirici kaplama üretimi kapasitesine sahiptir.

Şirketin bir sonraki adımı, grafen alüminyum iyonuna dayalı pil teknolojisi olacak; bu teknoloji 290 Wh/kg enerji yoğunluğuna, lityum‑iyon pillere göre 60 kat daha hızlı şarj, 3 kat daha uzun pil ömrü ve daha iyi bir yangın tehlikesi profiline sahiptir.

Kaynak: GMG

Bu pil pazarına giriş, GMG için büyük bir risk olabilir, ancak aynı zamanda grafen için, özellikle EV ve diğer enerjiyle ilgili uygulamalarda açılabilecek gelecekteki pazar hakkında benzersiz bir bakış açısı kazandırır.