Lityum-CO₂ Pil Devrimi, Cihazları Güçlendirirken Karbonu Yakalar

Surrey Üniversitesi araştırmacıları, yeni bir katalizör kullanan deneysel bir lityum–CO₂ pili inceledi. Pil boşalırken lityum ile karbondioksit tepkimeye girer; yeniden şarj sırasında oluşan ürünlerin parçalanması gerekir. Çalışma, bu tersinir tepkimenin verimliliğini artırmaya yönelik bir adım sunuyor. Ticari bir pilin havadaki CO₂’yi doğrudan yakaladığını veya net emisyonları azalttığını göstermiyor.

Neden farklı pil kimyaları araştırılıyor?

Lityum iyon piller telefonlarda, elektrikli araçlarda ve enerji depolama sistemlerinde yaygın olarak kullanılır. Üretimleri hammadde ve enerji gerektirir; kullanım ömrü sonunda güvenli toplama ve geri dönüşüm önemlidir. Hasarlı ya da yanlış kullanılan hücrelerde termal kaçak riski bulunabilir. Ancak eski metindeki gibi bütün lityum iyon pillerin platin veya nadir toprak elementleri gerektirdiğini söylemek yanlıştır. Hücre kimyaları birbirinden farklıdır.

Lityum–CO₂ pilinde karbondioksit elektrokimyasal tepkimenin bir parçasıdır. Boşalma sırasında oluşan lityum karbonatın şarj sırasında ayrıştırılması güçtür. Tepkimeyi yürütmek için gereken ek voltaja aşırı potansiyel denir. Uygun bir katalizör bu kaybı azaltabilir ve hücrenin tekrar tekrar çalışmasını kolaylaştırabilir.

Surrey Üniversitesinin lityum–CO₂ çalışması

Advanced Science dergisinde yayımlanan araştırmada ekip, sezyum fosfomolibdatı (CPM) katot katalizörü olarak kullandı. Keggin tipi yapıya sahip bu malzemenin çok sayıda elektrokimyasal etkin noktası, oksijence zengin yüzeyi ve CO₂ ile lityum iyonlarının hareketine yardımcı gözenekleri bulunuyor. Araştırmacılar katalizörü nispeten basit bir yöntemle sentezleyip laboratuvar hücresinde sınadı.

Kaynak: Surrey Üniversitesi / Advanced Science

Ekip, elektrokimyasal deneyleri yoğunluk fonksiyoneli teorisine dayanan hesaplamalarla birleştirdi. Toz X-ışını kırınımı kristal yapının, kızılötesi spektroskopi kimyasal bağların, X-ışını fotoelektron spektroskopisi yüzey bileşiminin incelenmesinde kullanıldı. Termogravimetrik analiz de malzemenin özelliklerine ilişkin bilgi sağladı. Bu yöntemler katalizörün nasıl çalıştığını araştırır; tam boy bir ticari pilin maliyetini veya kullanım ömrünü ölçmez.

CPM katalizörünün rolü

CPM, boşalma sırasındaki CO₂ indirgenmesini ve şarj sırasındaki ters tepkimeyi destekler. Gözenekleri, gaz moleküllerinin ve lityum iyonlarının etkin noktalara ulaşmasına yardımcı olur. Böylece elektrodu tıkayabilen lityum karbonatın giderilmesi kolaylaşabilir. Yine de elektrolit, lityum anot, güvenlik ve büyük ölçekli üretim gibi sorunlar çözülmüş değildir.

Laboratuvar sonuçları

Araştırmacılar gram başına 50 mA akımda gram başına 15.440 mAh boşalma kapasitesi, %97,3 kulombik verim ve 0,67 volt aşırı potansiyel bildirdi. Özgül kapasite, deneyde kullanılan kütle tanımı ve koşullarına bağlıdır. Gövde, elektrolit ve diğer parçaları içeren eksiksiz bir lityum iyon pilinin kilogram başına enerji değeriyle doğrudan karşılaştırılamaz.

Kapasite gram başına 500 mAh ile sınırlandığında hücre, aynı akımda 100’den fazla çevrim çalıştı; çalışmanın ayrıntılı anlatımında 107 çevrim veriliyor. Eski İngilizce yazı, yanlış biçimde binlerce çevrim ve yıllarca günlük kullanım iddia ediyordu. Bu çalışmada böyle bir dayanıklılık veya ticari paket güvenliği gösterilmedi.

Olası yararlar ve sınırlar

Katalizör, daha önce bildirilen çeşitli seçeneklere göre düşük aşırı potansiyel sağladı ve nispeten kolay hazırlanabiliyor. Bu, araştırmayı ilerletmek için iyi bir neden. Ancak tek bir laboratuvar deneyinden pilin mevcut tüm lityum iyon seçeneklerinden daha ucuz, daha güvenli, daha uzun ömürlü veya daha kolay ölçeklenebilir olduğu sonucu çıkmaz. Gerçek yüklerde daha fazla çevrim, maliyet, malzeme ve yaşam döngüsü analizleri gerekir.

CO₂’nin hücre tepkimesinde kullanılması kalıcı karbon depolama anlamına gelmez; şarj sırasında gaz tekrar açığa çıkabilir. Toplam karbon bilançosu gazın kaynağına, elektriğin üretimine ve malzemelerin tedarikine bağlıdır. Çalışma, normal dış havadan doğrudan CO₂ çeken bir aygıtı göstermiyor. Bu yüzden “havayı temizleme” veya net sıfır emisyon iddiaları bilimsel sonuçların ötesine geçer.

CPM bazı pahalı değerli metal katalizörlerine alternatif olabilir. Yine de pil lityum ve başka hammaddeler kullanır; sezyum ile molibdenin de tedarik zincirleri vardır. Nadir toprak elementi kullanmamak tek başına sürdürülebilirlik veya düşük fiyat kanıtı değildir.

Gerçek kullanım için hangi adımlar gerekli?

Kontrollü gaz ortamında çalışan bir lityum–CO₂ sistemi gelecekte enerji depolama açısından ilgi çekebilir. Eski yazı evler, otomobiller, taşınabilir cihazlar ve Mars için kullanım ile beş yıllık tüketiciye sunulma takvimi öne sürüyordu. Mevcut sonuçlar bu uygulamaların gerektirdiği güvenlik, güç, ömür ve sistem tasarımını kanıtlamıyor. Çalışmadan kesin bir ticarileşme tarihi çıkarılamaz.

Surrey ekibi katalizör, elektrot ve elektrolit etkileşimlerini, ayrıca başka Keggin tipi polioksometalatları incelemeyi planlıyor. Amaç, tersinir tepkimeyi çok daha fazla çevrim boyunca kararlı ve ekonomik biçimde sürdürebilmek.

Pil sektöründeki şirketler

Solid Power (SLDP )

Solid Power, sülfür bazlı katı elektrolitler ve tamamen katı hâl pilleri geliştiriyor. Bu, Surrey’nin lityum–CO₂ hücresinden farklı bir teknoloji. Şirketin CPM katalizörünü kullanacağına ilişkin kanıt yok. Ortaklıkları daha geniş pil sektörü için önem taşıyabilir; bu araştırmanın şirketin hisse değerini yakın zamanda artıracağını göstermez.

Solid Power (SLDP) hakkında son haberler

Sonuç

CPM, deneysel lityum–CO₂ hücresinde düşük aşırı potansiyel ve kontrollü koşullarda 100’ün biraz üzerinde çevrim sağladı. Bu değerli bir bilimsel ilerleme olsa da güvenli, uygun maliyetli ve iklim açısından yararlı bir günlük kullanım piline ulaşmak için çok daha fazla çalışma gerekiyor.

Enerji teknolojisindeki diğer gelişmeleri okuyun.

Araştırma kaynağı

Masoudi, M. ve ark., “Ultralow Overpotential in Rechargeable Li–CO₂ Batteries Enabled by Caesium Phosphomolybdate as an Effective Redox Catalyst”, Advanced Science 12(17), 2502553 (2025). doi:10.1002/advs.202502553.