Nobel Ödülleri

Nobel Ödülü Başarılarına Yatırım: Lityum-İyon Bataryalarla Dünyayı Güçlendirmek

mm
Yayınlandı
Güncellendi
Securities.io sitesini Google'daki tercih ettiğiniz kaynaklara ekleyin
Açıklama: Securities.io, incelediğimiz ürünlerin bağlantılarını kullandığınızda ücret alabilir. Bu, editoryal değerlendirmelerimizi etkilemez. Kayıtlı bir yatırım danışmanı değiliz; bu bir yatırım tavsiyesi değildir. Bağlı kuruluş açıklamamızı okuyun.

Nobel Ödülü Tarihi

Nobel Ödülü, bilim dünyasının en saygın ödüllerinden biridir. Ödüller, Alfred Nobel’in vasiyeti uyarınca, önceki yıl insanlığa en büyük yararı sağlayanlara fizik, kimya, fizyoloji veya tıp, edebiyat ve barış alanlarında verilir. İsveç Merkez Bankası daha sonra Nobel’in anısına ekonomi bilimleri ödülünü oluşturmuştur. Bilim ve edebiyat ödüllerinin sahiplerini ilgili İsveç kurumları, barış ödülünün sahibini ise Norveç Nobel Komitesi belirler.

Miras Endişeleri

Yaygın bir anlatıya göre Alfred Nobel, kardeşinin ölümünün yanlış aktarılması üzerine kendi ölüm ilanını okudu. «Ölüm taciri öldü» başlıklı olduğu söylenen haberin, geride bırakacağı mirası düşünmesine yol açtığı anlatılır. Ancak bu öykünün ayrıntıları ve vasiyet üzerindeki doğrudan etkisi kesin biçimde belgelenmiş değildir.

Nobel kimyager, mühendis ve mucitti. Dinamit ve dumansız barut gibi farklı patlayıcılar geliştirdi; dinamitin kendisi dumansız barut değildir. Bofors’u satın alması da silah sanayisiyle bağının bir parçasıydı. Vasiyeti, servetinin büyük bölümünün insanlığa yarar sağlayan çalışmaları ödüllendirmesini öngördü.

Nobel Ödülü

Nobel’in bıraktığı sermaye, ödülleri ve Nobel Vakfının faaliyetlerini finanse etmek üzere yatırımlarla yönetilir. Ödül sahiplerine madalya, diploma ve para ödülü verilir. 2024’te her tam ödülün tutarı 11 milyon İsveç kronuydu; dolar karşılığı döviz kuruna göre değişir.

Kaynak: Britannica

Bir ödül birden fazla kişi arasında paylaşılabilir. Bilim ödüllerinde aynı gelişmeye birlikte veya ayrı ayrı katkıda bulunan iki ya da üç kişinin ödüllendirilmesi yaygındır.

Ödüller hem temel bilime hem de pratik uygulamalara yön veren çalışmaları kapsar. Modern dünyayı şekillendiren örnekler arasında radyoaktivite, antibiyotikler, X-ışınları ve PCR yer alır. Temel bilimde ise Güneş’in enerji kaynağı, elektronun yükü, atomik yapı ve süperakışkanlık gibi konular ödüllendirilmiştir.

Elektrifikasyonu Destekleyen Pil

Elektrikli araçlardan ısı pompalarına kadar elektrifikasyon, enerji kullanımını dönüştürüyor. Özellikle taşınabilir elektronik ve elektrikli ulaşımda, eski şarj edilebilir pillere göre daha yüksek özgül enerji sunan lityum iyon piller önemli bir rol oynuyor. Isı pompaları ise çalışmak için mutlaka pil gerektirmez.

Piller, elektrokimyasal tepkimeler yoluyla kimyasal enerji ile elektrik enerjisi arasında dönüşüm sağlar. Bazıları tek kullanımlı, bazıları şarj edilebilirdir. 19. yüzyılın ortalarında geliştirilen kurşun-asit akü, düşük maliyeti ve dayanıklılığı sayesinde uzun süre yaygın şarj edilebilir seçenek oldu.

Kurşun-asit akünün deşarjında kurşun ve kurşun dioksit elektrotlar sülfürik asitle tepkimeye girerek kurşun sülfat ve su oluşturur. Şarj sırasında bu tepkimeler tersine döner. Sülfat iyonlarının elektrotlarda bağlanması şarjda değil, deşarjda gerçekleşir.

Kaynak: PV Education

Kurşun-asit tasarımının önemli sınırlamaları vardır:

  • Yüksek ağırlık.
  • Aşındırıcı maddeler.
  • Kullanım ve tasarıma bağlı olarak birkaç yüz ila binlerce çevrimle sınırlı ömür.
  • Zamanla kendi kendine deşarj.
  • Sınırlı enerji depolama/enerji yoğunluğu.

Kurşun-asit aküler, otomobil marş motoruna kısa süreli yüksek akım sağlamak ve yedek güç gibi görevlerde kullanışlıdır. Yalnızca düşük güçlü uygulamalarla sınırlı değildir. Ancak ağırlıkları ve düşük özgül enerjileri, hafif taşınabilir cihazlarda ve uzun menzilli elektrikli araçlarda dezavantaj yaratır.

Daha yüksek enerjili şarj edilebilir pillerin geliştirilmesine John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham ve Akira Yoshino önemli katkılarda bulundu. Üç araştırmacı, lityum iyon pillerin geliştirilmesi nedeniyle 2019 Nobel Kimya Ödülü’nü paylaştı.

Kaynak: Nobel Prize

Lityum iyon piller bugün bilgisayarları, telefonları, taşınabilir güç kaynaklarını, elektrikli araçları ve şebeke depolama sistemlerini besliyor. Bazı havacılık uygulamalarında da kullanımları araştırılıyor.

Lityumun Benzersiz Elektrik Özellikleri

Lityum, 1817’de Johan August Arfwedson tarafından tanımlandı. Oda sıcaklığında katı olan en hafif elementtir ve atom numarası 3’tür; çekirdeğinde üç proton bulunur.

Kaynak: Medium

Nötr lityum atomunun dış kabuğunda bir elektron vardır. Lityumun düşük kütlesi ve güçlü indirgenme eğilimi, uygun elektrot çiftleriyle yüksek gerilimli, yüksek özgül enerjili piller geliştirilmesini sağlar.

Metalik lityumun yüksek reaktivitesi güvenlik sorunları yaratır. Suyla şiddetli tepkimeye girer; hava, nem ve sıcaklık koşullarına bağlı olarak yangın riski oluşturabilir. Bu nedenle elektrolit ve üretim koşulları dikkatle seçilir.

Bir pilin elektrotları, iyonların hareket etmesini sağlayan ve elektronların dış devreden geçmesine olanak tanıyan bir elektrolitle ayrılır. Deşarj sırasında negatif elektrot anot, pozitif elektrot katot olarak adlandırılır; şarj sırasında elektrokimyasal roller tersine döner. Elektrolit sıvı veya katı olabilir.

Kaynak: Nobel Prize

Metalik lityum içeren tasarımlarda su bazlı elektrolitler uygun değildi. Araştırmacılar, 1960’lardan itibaren organik çözücüler ve lityum tuzlarıyla farklı seçenekler geliştirdi. Kimyasal kararlılık, erime noktası, tuz çözünürlüğü, iyon iletkenliği ve viskozite gibi özellikler birlikte değerlendirildi.

Kaynak: Nobel Prize

İlk şarj edilebilir lityum pil çalışmalarında metalik lityum anotlar ve susuz elektrolitler kullanıldı. Bunları, daha sonra iki elektrot arasında lityum iyonlarının hareket ettiği ticari lityum iyon tasarımlarından ayırmak gerekir. Uygun katot seçimi de temel bir araştırma sorunuydu.

Exxon’daki Lityum Pil Araştırmaları

Bugünkü lityum iyon pillere giden önemli adımlardan biri, Exxon Research and Engineering bünyesinde atıldı. Daha sonra elektrikli ulaşımı destekleyecek bu araştırmanın bir petrol şirketinde yapılması dikkat çekicidir.

1970’lerde petrol arzı ve gelecekteki enerji kaynakları konusundaki kaygılar, şirketleri alternatif enerji araştırmalarına yöneltti. Exxon, çeşitli alanlardan araştırmacıları işe aldı ve yeni enerji teknolojilerini incelemeleri için kaynak sağladı.

Bu araştırmacılardan biri, Stanley Whittingham, Stanford’da interkalasyon üzerine çalışan bir bilim insanıydı. İnterkalasyon, iyonların bir malzemenin yapısındaki katmanlar veya uygun boşluklar arasına yerleşmesidir.

Lityum iyonlarının geri dönüşümlü biçimde yerleşebildiği bir yapı, şarj edilebilir pilin katodu için uygun olabilirdi.

Katot malzemesinin ayrıca şu koşulları karşılaması gerekiyordu:

  • Elektrolitte çözünmemeli.
  • Elektrolit molekülleri istenmeyen biçimde yapıya yerleşmemeli.
  • İyonların yapıya yerleşmesi ve ayrılması geri dönüşümlü olmalı.
  • Şarj ve deşarj sırasında yapısal değişim sınırlı kalmalı.
  • Ortam sıcaklığı ve basıncında çalışabilmeli.

Whittingham, tantal disülfür üzerinde çalıştıktan sonra titanyum disülfürü (TiS2) seçti. Titanyumun tantaldan hafif olması önemli bir avantajdı.

Kaynak: Nobel Prize

Tasarımlarda TiS2 tozu Teflon bağlayıcıyla birleştirildi ve metal destekler kullanıldı. Polipropilen ayırıcı, elektrotları birbirinden ayırırken iyon geçişine izin veriyordu; diğer elektrot metalik lityumdu.

Dendrit Sorunu

Şarj edilebilir metalik lityum tasarımlarındaki önemli bir sorun, tekrarlanan çevrimlerde oluşan dallanmış lityum yapıları, yani dendritlerdi.

Kaynak: Nobel Prize

Dendritler elektrotları ayıran tabakayı geçerek kısa devreye yol açabiliyordu. Bu durum güvenli ticarileşmenin önündeki önemli engellerden biriydi.

Kısa devre aşırı ısınma, yangın veya patlama yaratabilirdi. Nobel’in tarihsel anlatımı, laboratuvar yangınlarının itfaiyenin özel söndürücü kullanımına ilişkin uyarıda bulunmasına kadar ilerlediğini aktarır.

Lityum anoda alüminyum eklenmesi, dendrit sorununu azaltmaya yönelik adımlardan biriydi. Whittingham’ın çalışmaları ve 1976 tarihli patent süreci, 1991’de ticarileşen modern lityum iyon pille karıştırılmamalıdır.

Petrol fiyatlarının ve şirketin araştırma önceliklerinin değişmesiyle Exxon bu alandaki çalışmaları daralttı ve geliştirilen teknolojiyi başka şirketlere lisansladı.

Daha İyi Katot Malzemesi

Whittingham uygun bir katot geliştirmişti. Daha sonra John Goodenough daha yüksek gerilim sağlayan katotlarla pil performansını ileri taşıdı.

Fizikçi John Goodenough, MIT’de manyetik çekirdekli belleğin gelişimine katkıda bulunmuştu. Oxford’a geçtikten sonra enerji sistemleri ve pil malzemeleri üzerine çalıştı.

Goodenough ve çalışma arkadaşları, metal oksitlerin Whittingham’ın metal sülfüründen daha yüksek gerilim sağlayabileceğini gösterdi. Yaklaşık dört volt sağlayan lityum kobalt oksit katodu üzerine sonuçlarını 1980’de yayımladılar.

Kaynak: Nobel Prize

Kobalt oksit katotlar taşınabilir elektronikte yaygınlaştı. Ancak kobalt içermeyen lityum iyon kimyaları da onlarca yıldır geliştiriliyor. Yeni alternatiflerden bazılarını «Daha İyi Bir Pil Tasarlamak – Kobalt Yerine TAQ» başlıklı yazıda inceledik.

Lityum Araştırması İçin Yeni Bir Ev

1980’lerde Batı’daki enerji araştırmalarının öncelikleri değişirken Japonya’da taşınabilir tüketici elektroniği büyüyordu. Walkman, kamera, bilgisayar ve kablosuz telefonlar için küçük, hafif, uzun süre çalışan güç kaynaklarına ihtiyaç vardı.

Asahi Kasei’de çalışan Akira Yoshino, bu gereksinime uygun şarj edilebilir piller geliştirmeye yöneldi.

Goodenough’ın kobalt oksit katodu yüksek enerji için önemli bir temel oluşturuyordu. Ancak metalik lityum anotların güvenlik sorunları devam ediyordu.

Yoshino’nun metalik lityum içeren pillerde yaptığı güvenlik deneyleri, ağır bir cismin düşürülmesi gibi koşullarda tehlikeli tepkimeler oluşabildiğini gösterdi. Tüketici ürünleri için daha güvenli bir anot gerekiyordu.

Metalik Lityum Anodun Yerini Değiştirmek

Karbon yapılar, metalik lityuma alternatif olarak araştırılıyordu. Grafit, Li+/Li çiftine göre düşük potansiyel sağlayabiliyordu; ancak bazı elektrolitlerde çözücü moleküllerinin katmanlara girmesi yapıya zarar veriyordu. Grafit daha sonra uygun elektrolitlerle ticari lityum iyon pillerde yaygınlaştı.

Yoshino’nun önemli adımı, anotta petrol koku kullanmaktı. Petrol işlemenin bir ürünü olan bu karbon malzemenin uygun türleri, gerekli koşullarda daha kararlı davranıyordu.

Uygun yapıya sahip kok, lityum iyonlarını alıp geri bırakabiliyordu. Böylece metalik lityum anot kullanmadan şarj edilebilir bir tasarım elde edildi ve güvenlik iyileştirildi.

Yoshino, karbon esaslı anodu Goodenough’ın lityum kobalt oksit katoduyla birleştirdi.

Sony ilk ticari lityum iyon pili 1991’de piyasaya sundu. Asahi Kasei’nin araştırmaları ve daha sonraki üretim ortaklığı da teknolojinin yayılmasına katkıda bulundu. Bu tarih, 1980’deki katot çalışmasından yaklaşık on bir yıl sonraydı.

Kaynak: Nobel Prize

Lityum-İyon Mirası ve Süregelen Önemi

Lityum iyon piller, taşınabilir bilgisayarlar, MP3 çalarlar, telefonlar, oyun cihazları ve tabletler gibi ürünlerin gelişimini destekledi. Pil ve elektronik teknolojileri birlikte ilerledi.

Elektrikli araçlar bu piller için çok daha büyük bir pazar yarattı. Tesla (TSLA ) ve önce pil üreticisi olarak kurulan BYD gibi şirketler, pazarın büyümesinde önemli rol oynadı. BYD’nin liderliği, tam elektrikli araçlarla şarj edilebilir hibritlerin birlikte mi sayıldığına ve döneme göre değişir.

Tek bir elektrikli aracın pil paketi, yüzlerce küçük elektronik cihazınkine karşılık gelebilecek enerji depolar. Araç satışlarındaki artış, 2015 öncesine göre çok daha yüksek pil talebi doğurdu.

Kaynak: Statista

Elektrifikasyon sürerken bazı köklü otomobil üreticileri ve küçük girişimler geçişte zorlanıyor. Çinli üreticiler, maliyet, üretim ölçeği ve teknoloji alanlarında güçlü bir rekabet oluşturuyor.

Lityum iyon piller, değişken yenilenebilir üretimi dengelemek için şebeke depolamasında da kullanılıyor. Bununla birlikte her depolama süresi ve uygulama için en uygun seçenek olmayabilir. Alternatifleri «Enerji Depolamanın Geleceği – Şebeke Ölçeğinde Pil Teknolojileri» yazısında değerlendirdik.

İleriye Yönelik Pil Teknolojisi

Elektrikli araçlarla büyüyen pil talebi, lityum ve kullanılan diğer metallere yönelik talebi de artırdı.

Lityum fiyatlarında büyük dalgalanmalar görüldü. Madencilik yatırımlarının gecikmeli devreye girmesi, arz açığı ve arz fazlası dönemlerini güçlendirebilir.

Kobaltın bazı tedarik zincirlerinde çocuk işçiliği, zorla çalıştırma ve diğer insan hakları sorunları belgelenmiştir. Risk, ülke, üretici ve tedarik uygulamalarına göre değişir.

Goodenough’ın da yer aldığı araştırma ekibi, lityum demir fosfatı (LFP) kobalt içermeyen bir katot olarak inceledi. «LiFePO4: A Novel Cathode Material for Rechargeable Batteries» makalesi 1997’de yayımlandı.

LFP de bir lityum iyon pil kimyasıdır. Kobalt içermemesi, maliyet ve ısıl kararlılık avantajları sağlayabilir; buna karşılık bazı nikel ve kobalt esaslı kimyalardan daha düşük enerji yoğunluğuna sahiptir. 2022’de LFP’nin elektrikli araç pil pazarındaki payının yaklaşık %31’e ulaştığı bildirildi. LFP, ev ve şebeke depolamasında da yaygın olarak kullanılır.

Sodyum iyon piller, lityum yerine daha bol bulunan sodyumu kullanır. Katı hâl piller ise elektrolit yapısını değiştirir; birçoğu hâlâ lityum içerir. Bu seçeneklerin gelişim ve ticarileşme düzeyleri farklıdır.

Kaynak: Nature

Ulaşım uygulamalarına yönelik pil teknolojilerini «Ulaşımın Geleceği – Pil Teknolojileri» yazısında özetledik.

Goodenough’ın 2023’teki ölümünden önce üzerinde çalıştığı cam elektrolitli pil kavramı da bu araştırmalar arasındaydı. İleri sürülen özellikler arasında geleneksel lityum iyon pillere göre daha yüksek enerji yoğunluğu, çok sayıda çevrim ve hızlı şarj bulunuyordu. İki kat enerji yoğunluğu ve 23.000 çevrim gibi farklı çalışmalarda aktarılan değerler, tek bir ticari pilin bağımsız biçimde doğrulanmış özellikleri olarak değerlendirilmemelidir.

Pil Teknolojisine Yatırım

Lityum iyon piller, taşınabilir elektroniği ve elektrikli ulaşımı dönüştürdü. Daha iyi piller yenilenebilir elektrik sistemlerini ve bazı elektrikli uçak uygulamalarını destekleyebilir. Ancak yalnızca pil geliştirmek, %100 yenilenebilir şebekeyi veya her tür uçağın elektrifikasyonunu kendiliğinden sağlamaz.

Pil sektörüyle bağlantılı şirketlere farklı aracı kurumlar üzerinden yatırım yapılabilir. Securities.io’da ABD, Kanada, Avustralya, Birleşik Krallık, ve diğer ülkelerdeki aracı kurumlar hakkında bilgiler bulunur.

Tek tek şirket seçmek yerine pil ve enerji depolama odaklı borsa yatırım fonları da incelenebilir. Örnekler arasında Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’in Lithium & Battery Tech ETF (LIT) ve WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF yer alır. Bu fonlar farklı şirketlere erişim sağlayabilir; kapsamları, ücretleri, işlem yerleri ve riskleri birbirinden farklıdır.

Pil Şirketleri

1. CATL (300750.SZ)

CATL, dünyanın en büyük pil üreticilerinden biridir. 2023’te küresel elektrikli araçlara takılan pil kapasitesinde %36,8 paya sahipti. Bu, dünyadaki her tür pil üretiminin yarısından fazlasını yaptığı anlamına gelmez.

Şirket pil tedarik zincirinin birçok aşamasında faaliyet gösterir ve farklı pil kimyaları geliştirir.

Özellikle lityum iyon pillerde büyük bir üretim ölçeğine sahiptir.

Duyurduğu teknolojiler arasında şunlar yer alır:

Kaynak: CATL

Metalik lityum anotlarda dendritleri sınırlayan üç boyutlu yapılar da araştırılıyor. Belirli bir araştırma sonucu, CATL’nin bütün pil türlerinde dendrit sorununu kalıcı biçimde çözdüğü anlamına gelmez.

CATL, 2024’te TENER şebeke depolama sistemini tanıtırken sistemiilk beş yılda kapasite ve güç kaybı olmaması hedefiyle seri üretilebilir enerji depolama sistemi olarak nitelendirdi.

Şirket, yaklaşık altı metrelik bir konteynerde 6,25 MWh depolama kapasitesi bildirdi. İlk beş yılda kayıpsız performans açıklaması, sistemin 2024’te tanıtıldığı tarihte tamamlanmış beş yıllık saha kullanımını göstermiyordu. Güvenlik ve performans iddiaları, üreticinin belirttiği koşullarla birlikte değerlendirilmelidir.

CATL, Çin’de pil geri dönüşümü için yaklaşık 3,25 milyar avroya karşılık gelen bir yatırım duyurdu. Şirket belirli süreçlerde nikel, kobalt ve manganez için %99,6; lityum için %91 geri kazanım oranı bildirdi. Bu oranlar belirli metallere aittir, pilin tümünün aynı oranda geri dönüştürüldüğü anlamına gelmez. CATL, Tesla, NIO, Ford ve Stellantis gibi üreticilerle çalışır.

2. BYD (BYDDY)

BYD, Tesla’nın yanı sıra birçok otomobil üreticisiyle rekabet eden büyük bir elektrikli ve şarj edilebilir hibrit araç üreticisidir.

Şirket pil üreticisi olarak kuruldu ve sonradan otomobillere yöneldi . Telefon pillerinden ulaşım pillerine uzanan deneyimi bu gelişimin bir parçasıdır. Çin’de ve çeşitli ihracat pazarlarında satışlarını artırdı; ülke liderliği iddiaları döneme, modele ve tam elektrikli araçlarla hibritlerin nasıl sayıldığına bağlıdır.

Çin, 2023’te Japonya’yı geçerek en büyük otomobil ihracatçısı oldu. BYD de yurt dışına açıldı ve üretimini yerelleştirme planları duyurdu; bunlardan biri Macaristan’daki fabrika projesiydi.

Çin’de yaklaşık 10.000–12.000 dolar fiyat düzeyinde sunulan Seagull gibi modeller, daha düşük maliyetli elektrikli araçlara talebi artırabilir. Seagull’ın ilgili seri üretim sürümleri LFP Blade pil kullanır; sodyum iyon pil kullandığı iddiası doğru değildir.

BYD, LFP pillerde CATL’nin önemli rakiplerindendir. Çin için aktarılan %41,1 BYD ve %33,9 CATL payları, ilgili dönem ve LFP pazarı tanımıyla sınırlıdır; tüm küresel pil pazarının payları değildir.

Düşük fiyatlı Çin elektrikli araçlarının Avrupa ve ABD’ye girişi tarifeler ve diğer ticaret önlemleriyle karşılaşabilir. Bu önlemler BYD’nin büyümesini etkileyebilir.

BYD, Güney Amerika, Orta Doğu ve Güneydoğu Asya dâhil çeşitli pazarlarda fırsatlar arıyor. Her bölgenin talebi, altyapısı, yerel üreticileri ve ticaret politikası farklıdır.

Bu ülkelerdeki geniş nüfus potansiyel bir pazar oluşturur, fakat nüfusun tamamı otomobil müşterisi değildir. Jeopolitik denge arayışı da korumacı önlemlerin alınmayacağını garanti etmez.

BYD’nin rekabet gücü; yerel araç fiyatları, tarifeler, dağıtım, servis ve üretimin yerelleştirilmesine bağlıdır. Macaristan ve Türkiye gibi üretim projeleri ile Meksika’da değerlendirilen seçeneklerin durumları birbirinden ayrılmalıdır.

mm

Jonathan, genetik analiz ve klinik deneylerde çalışan eski bir biyokimyacı araştırmacıdır. Şu anda yenilik, piyasa döngüleri ve jeopolitik konulara odaklanan bir hisse senedi analisti ve finans yazarıdır ve bu konularda 'The Eurasian Century' adlı yayınında yazmaktadır.