Daha Güvenli, Daha Ucuz ve Daha Güçlü mü? Alüminyum Bataryaların Vaatı

Daha hızlı şarj olan ve daha uzun ömürlü yüksek kapasiteli bataryalar, taşınabilir elektronik, elektrikli araçlar ve uzun vadeli enerji depolamanın geleceğini güçlendirmek için anahtardır.

Son birkaç on yıldır, lityum-iyon bataryalar bu alanda lider konumda. Şarj edilebilir bir batarya türü olan lityum-iyon bataryalar, bu iyonların pozitif elektrotlar ve negatif elektrotlar, yani anot ve katotlar arasında hareketiyle şarj olur ve deşarj olur.

Bu bataryalarda kullanılan lityum metali yumuşak, gümüşi ve son derece reaktiftir. Tüm metaller arasında en düşük yoğunluğa sahiptir ve bir mineral olarak bileşiklerde bulunur; en büyük üreticisi Şili’dir. Şili ayrıca en büyük lityum rezervlerine sahiptir, ardından Avustralya ve Çin gelir; Çin aynı zamanda lityum-iyon bataryalarında da liderdir.

Bu bataryalar aslında üretim için büyük miktarda su ve enerji gerektirir. Ayrıca geri dönüştürülmeleri çok zordur.

Dolayısıyla, lityum-iyon bataryalar akıllı telefonlar, dizüstü bilgisayarlar ve diğer taşınabilir cihazlar gibi taşınabilir tüketici elektroniğinde, ayrıca elektrikli araçlar ve güneş enerjisi yedekleme depolama sistemlerinde performanslarını kanıtlamışken, pazar artık lityum-iyonun ötesinde performans gösterebilecek ve bir sonraki nesil cihazları, uzun menzilli araçları, elektrikli uçakları ve şebeke ölçeğinde depolamayı güçlendirecek malzemeler arıyor.

Bu durum araştırmacıları, daha güvenli, daha ucuz ve daha güçlü bataryalar için umut vaat eden performans gösteren alüminyuma yönlendirdi.

Alüminyumun Bataryaları İlerletmedeki Potansiyeli 

Şarj edilebilir alüminyum bataryalar geliştirme çabaları birçok on yıldır devam ediyor, ancak son on yılda önemli bir ivme kazandı. Artan ilgi ve araştırmalar, Al-iyon bataryalarının şarj ve deşarjda olağanüstü oranlar elde etmesine yardımcı oldu. 

Al-iyon bataryalarını çevreleyen tüm gelişmeler, bu elektropozitif metalin sunduğu üstün faydalar nedeniyle önemlidir. 

Alüminyumun benzersiz özellikleri arasında hafif olması, korozyona dayanıklı olması ve yüksek termal iletkenliğe sahip olması bulunur. 

Bu çok yönlülük, metalin çeşitli endüstrilerde, özellikle ulaşımda, geniş bir uygulama yelpazesinde son derece faydalı olmasını sağladı. Metal, hafif ve güçlü olduğu için yakıt verimliliğini artırmaya ve emisyonları azaltmaya yardımcı olarak otomobil, uçak ve tren üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. 

Alüminyumun bir diğer önemli uygulaması, çalışması kolay olması ve zorlu çevre koşullarına dayanabilme yeteneği nedeniyle inşaat sektörüdür. Alüminyum ayrıca ambalaj, havacılık, kimya, askeri ve elektrik endüstrilerinde yoğun olarak kullanılmaktadır.

Düşük yoğunluğa ve iyi bir elektrik iletkenliğine sahip olması, alüminyumu elektrik iletkenleri, bilgisayar, akıllı telefon ve televizyon gibi cihazların üretimi ve yüksek gerilim hatlarında kullanım için ideal kılar.

Dahası, alüminyum Dünya kabuğunda bulunan en bol metal elementtir. Düşük maliyetli bir metal olması, şarj edilebilir bataryalarda kullanımının özellikle ekonomik, büyük ölçekli yenilenebilir enerji depolama yedek sistemleri için batarya maliyetlerini önemli ölçüde azaltabilir.

Lityum-iyon bataryalar bu uygulamalar için hâlâ çok pahalıdır. Maliyetli olmanın yanı sıra, bu bataryalar yanıcı bir elektrolit taşıyarak güvenlik endişesi yaratır. Dünya üzerindeki en bol metal ve ticari olarak ikinci en bol metal (demirden sonra) burada uygun bir alternatif sunar.

Uygun fiyatlı olmasının yanı sıra, alüminyum yüksek bir hacimsel kapasiteye sahiptir; bu, lityumun dört katı ve sodyumun yedi katı büyüklüğündedir. Bu, alüminyumun birim hacim başına batarya enerji yoğunluğunu artırma potansiyelini gösterir.

Ayrıca, alüminyum yanmaz, bu da elektrot olarak benimsenmesini daha da destekler. Bu metalin kullanımı, lityum-iyon sistemlerinde yaygın olarak görülen bir ara katman katmanının karmaşıklığını da ortadan kaldırır.

Bu, alüminyumun hiçbir eksikliği olmadığı anlamına gelmez. Alüminyum iyon batarya sistemlerinin pasivasyonu, korozyonu ve hidrojen evrimi, sınırlı uygulamalara yol açmıştır. Alüminyum iyon bataryaları için bir diğer zorluk, Al3+ iyonlarının yüksek yük yoğunluğu nedeniyle anot malzemelerinin seçilmesidir; bu durum yavaş difüzyon kinetiğine ve dolayısıyla bataryanın oran yeteneğinin sınırlanmasına neden olur.

Bu zorluklara rağmen, alüminyum-iyon bataryalar yüksek özgül kapasite, düşük maliyet, hafiflik, iyi güvenlik ve alüminyumun doğal bolluğu nedeniyle büyük ölçekli enerji depolama için umut vaat eden bir adaydır.

Gerçek Dünya Kullanımı için Alüminyum-İyon Bataryasını Keşfetmek

Alüminyumun bataryalarda araştırılması, uçakların uzun mesafeler uçabilmesi ve kamu ölçeğinde enerji depolama gibi yüksek enerji talebini karşılamak için yeni batarya kimyalarına duyulan ihtiyaç nedeniyle bir süredir devam ediyor. Geleneksel bataryalar bu sistemleri çalıştırmak için yeterli enerjiyi tutamaz.

Yaklaşık on yıl önce Stanford Üniversitesi araştırmacıları, alüminyum-iyon bataryasının ilk kez stabil olabileceğini ve uzun süre döngü yapabileceğini ortaya koydu. Bu Al-iyon bataryası bir dakikadan kısa bir sürede tamamen şarj olabiliyor ve kapasite kaybı çok az olmak kaydıyla 7500’e kadar şarj/deşarj döngüsünden geçebiliyordu.

Avustralya Queensland Üniversitesi araştırmacıları tarafından geçen yılın sonlarında yürütülen bir çalışma, katı-elektrolit ara katmanıyla ilgili teknik engeli ele aldı¹.

Al-iyon bataryası, lityum-iyon bataryalarına benzer şekilde, bir anot, bir katot ve alüminyum iyonlarını pozitif yüklü elektrotlar ile negatif yüklü elektrotlar arasında taşıyan bir elektrolite sahiptir.

Deşarj sırasında iyonlar enerjiyi üretmek için anottan katota hareket eder ve batarya şarj edilirken süreç tersine dönerek enerjiyi depolar. Al-iyon bataryalarında, şarj ve deşarj döngüsü sırasında kısa devrelere neden olan dendrit oluşumu nedeniyle kararsızlıklar yaşanır ve bu da batarya arızasına yol açar.

Araştırmaya göre, bu sorunun cevabı, alüminyum-iyon bataryalarının, lityum-iyon bataryaları gibi, ömürlerini maksimize etmek için ön döngüye (pre-cycling) ihtiyaç duydukları yönündedir. Bu benzersiz ön döngü ihtiyaçlarını anlamak, bataryanın daha uzun ömürlü ve daha güvenilir çalışmasını sağlayacak daha iyi tasarımlara yol açabilir ve böylece gerçek dünya uygulamalarına daha yakın hale getirebilir.

Birkaç yıl önce yapılan bir başka araştırmada, Georgia Teknoloji Enstitüsü araştırmacıları, alüminyum folyo kullanarak tek bir şarjda EV’lerin daha uzun mesafeler kat edebilmesini sağlayan bataryalar ürettiler.

Bu çalışmada, araştırmacılar alüminyuma 100’den fazla farklı malzemenin küçük miktarlarını ekleyerek belirli “mikroyapılar” oluşturdu. Alüminyum anot, geleneksel anot malzemelerinden daha fazla lityum depolayabildi; bu da daha fazla enerji anlamına gelerek yüksek enerji yoğunluklu bataryaların üretilmesine yol açtı.

Alüminyum bataryalarına yönelik bu araştırmalar, geleceği güçlendirecek daha güçlü batarya teknolojilerinin kapısını açma konusunda büyük bir potansiyele sahiptir.

Alüminyum Bataryalarının Ömrünü Uzatmak İçin Yeni Tasarım

Alüminyum-iyon bataryalarının birçok faydası göz önüne alındığında, en son ACS Central Science’da yayınlanan çalışma², sürdürülebilir, temiz enerjiye geçişi destekleyebilecek maliyet-etkin ve çevre dostu bir Al-iyon batarya tasarlamaya yöneldi.

Küresel sürdürülebilirlik çabalarıyla birlikte, çalışma enerji depolama batarya teknolojilerinde ilerleme sağlamak için bol ve yenilenebilir kaynakların araştırılması gerektiğini vurguladı ve sürdürülebilir kalkınmayı teşvik etti.

Bu nedenle araştırmacılar, yanıcı olmayan oda sıcaklığında kloroalüminat bazlı iyonik sıvı elektrolitlere sahip şarj edilebilir alüminyum-iyon bataryalarına (AIB’ler) yöneldiler. Geniş sıcaklık uyumluluğu, uzun döngü ömrü ve olağanüstü güvenliği, AIB’leri büyük ölçekli enerji depolama sistemleri için son derece uygun kılıyor.

Tabii ki, AIB’lerdeki geleneksel iyonik sıvı elektrolitler önemli zayıflıklara sahiptir. Yeni çerçeveleriyle araştırmacılar, Al-iyon bataryalarında en yaygın kullanılan elektrolitten kaynaklanan korozyon sorununu aşmayı hedefliyor.

Elektrolit — sıvı alüminyum klorür — yalnızca alüminyum anotunu korozive etmez, aynı zamanda yüksek nem duyarlılığı nedeniyle bu durumu daha da kötüleştirir. Bu, zaman içinde kötü stabiliteye ve elektrik performansının düşmesine yol açar.

Bu sınırlamayı ortadan kaldırmak için araştırmacılar, Al-iyon içeren inert bir alüminyum florür tuzunu elektrolite ekledi; bu da elektroliti katı hal elektrolitine dönüştürdü. Alüminyum florür tuzunun 3D gözenekli yapısı, alüminyum iyonlarının elektrolit içinde kolayca atlayarak iletkenliği artırmasını sağlar.

Araştırmacılar ayrıca arayüz katkı maddesi olarak fluoroetilen karbonat kullandılar. Elektrotlar üzerindeki ince katı kaplama, alüminyum kristallerinin oluşumunu önlemeye yardımcı oldu ve böylece bataryanın sağlığının bozulmasını engelledi.

Bu iki bileşen sayesinde ekip, bataryalarının nem direncini, termal ve fiziksel stabilitesini artırabildi. Bu, katı hal Al-iyon bataryasının 392 derece Fahrenheit (veya 200 derece Celsius) sıcaklığa kadar dayanmasını sağladı. Ayrıca keskin bir nesnenin tekrarlanan darbelerine karşı da dayanıklı oldu.

Bu bataryanın ömrüne gelince, çalışma onun son derece uzun olduğunu buldu. Katı hal alüminyum-iyon batarya, orijinal kapasitesinin yüzde birinden daha az bir kayıpla 10.000 şarj ve deşarj döngüsüne kadar dayanabildi.

Dahası, kullanılan alüminyum florürün çoğu basit bir yıkama ile geri kazanılabilir. AlF3 daha sonra hafifçe azalmış performansla başka bir bataryada geri dönüştürülebilir; bu da batarya üretim maliyetlerini daha da azaltır.

“Bu yeni Al-iyon batarya tasarımı, uzun ömürlü, maliyet-etkin ve yüksek güvenlikli bir enerji depolama sisteminin potansiyelini gösteriyor. Ana malzemelerin geri kazanılması ve geri dönüştürülmesi yeteneği, teknolojiyi daha sürdürülebilir kılıyor.”

– Wei Wang, State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, China

Yeni batarya, Al-iyon bataryalarının üretim maliyetini azaltarak ve ömrünü uzatarak pratikliğini artırıyor, ancak bu bataryanın ticarileşmesi için enerji yoğunluğu, elektrolit stabilitesi ve yaşam döngüsü konularında daha fazla iyileştirme gerekmektedir.

Batarya yaşlanma efsanelerini çürüten bir çalışma hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın.

Batarya Pazarındaki Önde Gelen Oyuncular

Gelecek vaat eden nesil batarya teknolojilerinin ortaya çıkışı, mevcut lityum-iyon bataryalarına kıyasla enerji yoğunluğu, güvenlik, maliyet ve ömür açısından önemli iyileştirmeler sunar. Bu teknolojiler, mevcut teknolojilerin sınırlamalarını aşan yeniliklerle enerji gereksinimlerini dönüştürmesi bekleniyor.

Şimdi, batarya teknolojisinin sınırlarını zorlayan ve önümüzdeki yıllarda büyük bir büyüme görebilecek şirketlere bir göz atalım.

1. QuantumScape

Dünya alternatifleri araştırırken, lityum bazlı bataryalar hâlâ lider konumda. Bu bağlamda, QuantumScape Corporation (QS ), EV’ler ve diğer uygulamalar için katı hal lityum-metal batarya teknolojisi geliştiren önde gelen batarya şirketlerinden biridir. 

Geleneksel lityum-iyon bataryalar sınırlarına yaklaşırken, şirket endüstride ilk anot-olmayan hücre tasarımını geliştirdi; bu tasarım yüksek enerji yoğunluğu, düşük malzeme maliyeti ve basitleştirilmiş üretim sunuyor.

Polimer ayırıcıya sahip geleneksel lityum-iyon bataryaların aksine, QuantumScape katı hal ayırıcı kullanıyor. Bu, karbon veya silikon anotun yerine daha enerji yoğun bir lityum-metal anotun kullanılmasını sağlıyor ve aynı hacimde daha fazla enerji depolanıyor. QuantumScape tasarımında batarya, anot-olmayan ve deşarj durumunda üretiliyor.

QuantumScape’e göre, 24 katmanlı A0 prototip hücresi, %95’in üzerinde enerji tutma oranıyla 1.000’den fazla tam şarj-deşarj döngüsü eşdeğeri tamamladı. Ekim ayında şirket, otomotiv uygulamaları için planlanan ilk ticari ürünü QSE-5’i tanıttı. Düşük hacimli üretimi başlayan QSE-5 B-örnek hücresinin ölçülen hücre enerjisi 21,6 Watt-saat (Wh). QSE-5 hücreleri %10’dan %80’e yaklaşık 12 dakikada şarj olabiliyor.

2,62 milyar dolar piyasa değerine sahip QuantumScape hisseleri şu anda hisse başına 5,13 $ fiyatla, yılbaşından bu yana %1,16 düşüşle işlem görüyor. EPS (TTM) -0,95 ve P/E (TTM) oranı -5,38.

Son raporlanan çeyrek, yani 2024 Q3 için, şirket 17,9 milyon $ sermaye harcaması yaptı; GAAP operasyonel giderleri 130,2 milyon $ ve GAAP net zararı 119,7 milyon $ oldu. Çeyrek sonu likiditesi 841 milyon $ idi.

QuantumScape ayrıca Volkswagen’in batarya üreticisi PowerCo ile ortaklık kurarak QSE-5 teknolojisini seri üretime getirmeyi planladı.

Bu dönemde şirket, Raptor adlı yeni ayırıcı üretim teknolojisini başarıyla uyguladığını bildirdi. Aralık ayında ise şirket, QuantumScape’in bu yıl QSE-5’in daha yüksek hacimli örneklerini sunmasını sağlayacak Cobra’nun piyasaya sürüldüğünü duyurdu. Cobra, EV’ler için katı hal bataryalarının ticarileşmesine yönelik önemli bir adım olarak da görülüyor.

2. Solid Power

2011 yılında kurulan Solid Power (SLDP ), DARPA finansmanı ile Colorado Boulder Üniversitesi’nden ayrıldı. Yıllar içinde Hava Kuvvetleri’nden sözleşmeler aldı ve Enerji Bakanlığı ile bir anlaşma imzaladı.

2018’de şirket ilk özsermaye finansman turunu gerçekleştirdi ve 2021’de BMW Group, Ford Motor Company (F ) ve Volta Energy Technologies’in liderliğindeki 135 milyon $’lık yatırım turunu duyurdu. 

Ford ve BMW Group, o zamandan beri Solid Power ile mevcut ortak geliştirme anlaşmalarını genişleterek gelecekteki EV’leri için tüm katı hal bataryalarını temin etmeyi hedefliyor. Bir yıl öncesinde Solid Power, ticari olarak mevcut lityum-iyon spesifik enerjisini geride bırakan 320 Wh/kg 20Ah lityum metal hücreler ürettiğini bildirdi.

Şirket, gelecek mobil güç pazarlarını devrim niteliğinde değiştirme potansiyeline sahip olduğunu belirttiği yeni nesil tüm katı hal batarya teknolojisinin geliştirilmesinde yer alıyor. Odak noktası özellikle EV’ler için sülfür bazlı katı elektrolitler olup, maliyet hedefi 85 $/kWh’dir. Hedef, 2028 yılına kadar elektrolit üretimini ölçeklendirerek batarya hücreleriyle yılda 800.000 EV’yi güçlendirmektir.

268,77 milyon dolar piyasa değerine sahip Solid Power hisseleri şu anda hisse başına 1,50 $ fiyatla, yılbaşından bu yana %21,16 düşüşle işlem görüyor. Şirket, Nasdaq’ta sadece 2021 Aralık sonlarında işlem görmeye başladı. EPS (TTM) -0,47 ve P/E (TTM) oranı -3,14.

En son raporlanan finansal sonuçları, 2024 Q3 için, Solid Power 4,7 milyon $ gelir elde etti; bu, bir önceki yılın aynı çeyreğine göre 1,7 milyon $ azaldı. Bu gelir düşüşü, büyük ölçüde BMW ile olan kilometre taşlarının tamamlanmasından kaynaklandı. Dönem için operasyonel giderler, artan üretim maliyetleri, hücre ve elektrolit geliştirme maliyetleri, operasyon ölçeklendirme ve uygulamalar nedeniyle yükseldi. Ancak likidite pozisyonu güçlü kaldı; SolidPower çeyrek sonunda toplam 348,1 milyon $ likiditeyle kapattı.

Bu dönemde şirket, ön pilot elektrolitinin üretim süreçlerini iyileştirmek için elektrolit inovasyon merkezi (EIC) çalışmalarına başladı.

En son, Solid Power, sülfür bazlı katı elektrolit malzemelerinin sürekli üretimi için ABD Enerji Bakanlığı’ndan 50 milyon $’lık bir fon sağladığını duyurdu. Bir Yardım Anlaşması kapsamında Solid Power, ekipman kurulumunu desteklemek için kendi fonlarından 60 milyon $ katkı sağlayacak; bu da şirketin üretim ölçeğini artırması bekleniyor.

Sonuç 

Lityum-iyon bataryalar, birçok yaygın tüketici elektroniği, elektrikli araç ve enerji depolama sistemlerinde (ESS) hâlâ üstün konumda. Bu bataryaların artan benimsenmesi, yüksek enerji yoğunlukları ve olgun endüstriyel üretim sistemlerinden kaynaklanıyor; ancak şebekeye bol ve yenilenebilir enerji kaynaklarını entegre etmek istiyorsak, daha iyi çözümler bulmamız gerekiyor.

Güneş ve rüzgar enerjisinin uzun vadeli depolanması büyük bataryalar gerektirir, ancak Li-iyon bataryalar bu görev için maliyet açısından engel teşkil eder. Üstelik yanıcılıkları önemli bir güvenlik riski oluşturur. Güvenilir, büyük ölçekli enerji depolama sistemleri için potansiyel bir alternatif, düşük maliyetleri, artırılmış güvenlikleri ve yüksek hacimsel kapasiteleri sayesinde umut vaat eden şarj edilebilir Al-iyon bataryalardır.

Elektrolit stabilitesi ve batarya ömründeki gelişmelerle alüminyum-iyon bataryalar, büyük ölçekli enerji depolama, EV’ler ve daha fazlası için kilit bir rol oynayabilir. Ticari uygulanabilirliklerinde hâlâ zorluklar olsa da, devam eden araştırmalar bu bataryaları gerçek dünya uygulamalarına yaklaştırıyor ve yakında yüksek enerji yoğunluğu ve uygun fiyatlı bataryalar konusundaki gelecekteki toplumsal ihtiyacı karşılayabilir.

Yatırım yapabileceğiniz en iyi batarya hisselerinin listesi için buraya tıklayın.