Küçük Dokunuşlar Büyük Değişiklikler Getirir – Yumuşak Metal Dokuları Bir Pil Devrimi mi?

Piller her yerde bulunur. Modern teknolojik çağımız, etkili üretilmiş, verimli piller olmadan ilerleyemez veya gelişemez. Piller Elektrikli Araçlarda, mobil cihazlarda, yenilenebilir enerji depolamada ve daha birçok alanda bulunur. 

Büyüme rakamlarına bakarsak, potansiyel üstel bir artış gösteriyor. Örneğin, 2022 ile 2030 arasında küresel lityum‑iyon pil talebinin neredeyse yedi kat artarak 2030’da 4.7 teravat‑saat seviyesine ulaşması bekleniyor. Piyasa uzmanları bu büyümenin önemli bir kısmını Elektrikli Araçların hızla popülerleşmesine bağlıyor; bu araçlar lityum‑iyon pillere büyük ölçüde bağımlıdır. 2024’te EV’ler, dünya çapında lityum‑iyon pil talebinin %80’inden fazlasını oluşturdu. 

Bu olağanüstü büyümeyi desteklemek, pil üretiminin ölçeklendirilmesini gerektirir. Üretimin bu ölçeklendirilmesi yalnızca yenilikle mümkün olabilir. İyi haber şu ki, dünya çapındaki araştırmacılar bu konuda çalışıyor. Sürekli olarak yeni malzemeler, tasarımlar, konfigürasyonlar ve kimyalar keşfediyorlar. 

Bununla birlikte, bu keşiflerin mevcut kaynakları optimize edip etmediğini sürekli kontrol etmek de çok önemlidir. Bu incelemede araştırmacılar, metallerin dokusunun tarihsel olarak göz ardı edildiğini fark ettiler. 

Bu göz ardı edilmenin tam doğasını açıklarken, UChicago PME Prof. Shirley Meng, Moleküler Mühendislik Liew Ailesi Profesörü, şu sözleriyle ifade etti:

“Tahıl yönelimi, yani doku, şarj edilebilir metal pil performansını nasıl etkilediği konusunda bir anlayış boşluğu var.”

Çözüm, Meng’in Enerji Depolama ve Dönüşüm Laboratuvarı ve endüstri ortağı Thermo Fisher Scientific’ten gelmektedir. Daha spesifik olarak, Meng ve ortak araştırmacıları tarafından yazılan bir makale aracılığıyla ortaya çıkmaktadır. Makalenin başlığı ‘Elektrokimyasal süreçlerde yumuşak metalin tahıl seçimi büyümesi.’

Daha İyi Piller İçin Daha İyi Doku Üzerinde Deneyler

Araştırmacılar ‘doku’ terimiyle, rastgele dağılım yerine belirli bir yönde hizalanmış tahıl yönelimini kastediyorlar. Plazma odaklı iyon ışını‑elektron geri saçılım kırınımı (PFIB‑EBSD), metal dokusunu çeşitli elektrokimyasal kaplama ve soğurma koşulları altında karakterize etmeye yardımcı olur. 

Çalışmada¹, araştırmacılar yüzey enerjisi ile gerilim enerjisinin alkali metallerin doku oluşumu üzerindeki rekabetini vurguladılar. Özellikle, elektrokimyasal süreçlerde metal anotlu katı hal pillerinin (özellikle oda sıcaklığında) kinetik kısıtlamalarını açıklamak için alkali metallerin atomik difüzyon ve yüzey enerjisinin tahıl seçimi büyümesi üzerindeki hâkimiyetinin nasıl çalıştığını anlamaya çalıştılar. Bu araştırmanın nihai hedefi ve elde edilen içgörüler, yüksek akım yoğunluklarında kaplama/soğurma verimliliğini artırmak için arayüz mühendisliği yoluyla istenen dokuları elde etmeyi amaçlamaktı.

Araştırmacılar, metalik piller için mükemmel dokunun ne olabileceğini anlamak amacıyla bir dizi adım gerçekleştirdiler. Yumuşak metal dokusunu çeşitli koşullar altında karakterize ettiler, doku oluşumu için termodinamik bir teori ve faz alanı modeli geliştirdiler, kaplama/soğurma verimliliğini artıracak istenen dokuları belirlediler ve nihayetinde istenen tahıl büyümesi için bir ara katman tasarladılar. 

Araştırma Ne Başardı?

UChicago PME Araştırma Yardımcı Doçenti Prof. Minghao Zhang, yeni çalışmanın ilk yazarı, araştırmacıların ‘lityum metal ile akım toplayıcı arasında ince bir silikon tabakası eklemenin istenen dokuyu oluşturduğunu keşfettiklerini’ belirtti.

Araştırmacılar, bu ‘değişikliğin lityum metal kullanan tüm katı hal pillerinde pilin oran yeteneğini neredeyse on kat artırdığını’ öne sürdüler.

Peki, araştırmacıları doğru ve optimal olanı bulmaya yönlendiren neydi? 

Araştırmacılar, bir pil anotunun ideal dokusunun, atomların yüzey düzleminde hızlı hareket edebileceği bir yapı olacağını varsayarak başladılar; çünkü daha hızlı hareket, pillerin daha hızlı şarj ve deşarj olmasını sağlıyordu. Dokuyu değiştirmek için önemli olan, yumuşak metalin yüzey enerjisindeki farklardı.

Prof. Minghao Zheng’e göre:

“Lityum veya sodyum metal içeren piller bu dokulara dayanarak tercih edilen oran yeteneğine sahip olduğundan, ekip yumuşak metallerin dokusunu ayarlamanın güç yoğunluğunu artırıp artırmayacağını merak etti.”

Hedefin başarısı, plazma odaklı iyon ışını‑tarama elektron mikroskobu (PFIB‑SEM) içinde frezeleme ve elektron geri saçılım kırınımı (EBSD) haritalaması içeren mikroskobik teknolojinin etkili kullanımına büyük ölçüde bağlıydı. Bu iki yöntemin verimli kombinasyonu, dokuyu yeni şekillerde incelemeye yardımcı olabilirdi.

Araştırmada kullanılan mikroskop teknolojisinin faydalarını açıklarken, çalışma ortak yazarı Thermo Fisher Scientific Kıdemli Pazar Geliştirme Müdürü Zhao Liu şu sözleri söyledi:

“PFIB‑EBSD kombinasyonu bu çalışma için çok uygundur, çünkü PFIB hücre yığını içindeki ilgi alanına etkili bir şekilde erişebilir, minimum kusurlu yüksek kaliteli bir yüzey üretirken, EBSD yumuşak metalin detaylı doku bilgilerini sağlar.”

Endüstri ortağının yanı sıra, araştırmacılar ayrıca LG Energy Solution’ın Frontier Araştırma Laboratuvarı ile teknoloji ticarileştirme hedefiyle ortaklık kurdu. 

LG Energy Solution’ın Kıdemli Araştırmacısı Jeong Beom Lee’ye göre, araştırma elektrikli araçlar ve enerji depolama uygulamaları için bir sonraki nesil pillerin geliştirilmesine yardımcı olacak.

Araştırmacıların İleriye Yönelik Hedefleri Nelerdir?

İleriye dönük olarak, araştırmacıların iki net hedefi var. İlk olarak, testlerde kullanılan basıncı mevcut endüstri standardı olan 5 megapascal (MPa) yerine 1 MPa’ya düşürmek istiyorlar; bu, ticari olarak mevcut piller için standarttır. İkinci olarak, Meng’in bulgularına göre, sodyumun ucuz ve kolay temin edilebilir bir lityum alternatifi olma potansiyeline sahip olduğunu göz önüne alarak, dokunun sodyum üzerindeki etkisini incelemek istiyorlar.

Lityum‑iyon Pil Malzemeleri Üzerindeki Diğer Araştırmalar

Mevcut araştırma bir atılım sunarken, benzer araştırma çabaları nadir değildir. Bu piller üzerine yapılan bir araştırma incelemesi – Materials Today’da yayınlandı – Li‑iyon pillerin bugün yüksek enerji yoğunluğu, uzun çevrim ömrü ve yüksek verimlilik gibi net avantajlara sahip olmasına rağmen, maliyet, enerji yoğunluğu, güç yoğunluğu, çevrim ömrü ve güvenlik sınırlarını zorlamak için yeni elektrot malzemeleri üzerinde araştırmaların devam ettiğini vurguladı.

Araştırmacılar umut vaat eden anot ve katot malzeme seçeneklerini incelerken, birçok malzemenin sınırlı elektriksel iletkenlik, yavaş Li taşıma, çözünebilirlik veya elektrolitle olumsuz etkileşimler, düşük termal stabilite, yüksek hacim genişlemesi ve mekanik kırılganlık gibi sorunlarla karşılaştığını buldular. Bu sorunlara mevcut çözümler, pazara sunulan interkalsiyon katotları içeriyordu. Ancak dönüşüm malzemesi teknolojisinin ticarileşme hızı yavaştı.

Ticarileşme ve ölçeklendirme hakkında konuşurken, artık bu yüksek teknoloji araştırmalarıyla çok şey başarabilecek şirketlere yönelmeliyiz. 

1. Samsung

Ağustos 2024’te, Güney Koreli Samsung SDI, General Motors ile ABD Indiana eyaletinde ortak bir elektrikli araç pil fabrikası inşa etmek için bir anlaşma tamamladı. Bu anlaşma kapsamında, iki şirket yıllık 27 gigavat‑saat üretim kapasitesine sahip bir pil hücresi üretim tesisi ortaklaşa kurmaya karar verdi. 

2022’de, dünyanın altıncı büyük pil üreticisi Samsung SDI Co. ve Hollanda merkezli çok uluslu otomotiv üreticisi Stellantis N.V., ABD’de ortak bir elektrikli araç pil fabrikası için Indiana eyaletini site olarak seçti. 

Üretici, 2025’in ilk yarısı için Stellantis’ın Kuzey Amerika’daki otomobil fabrikaları için yılda 23 gigavat‑saat (GWh) prizmatik pil hücresi ve modülü üretmeyi planladı. 

Pil üretimine gelince, Samsung SDI Elektrikli Araçlar, Enerji Depolama Sistemleri, Mikro Mobilite, Güç Cihazları ve BT Cihazları dahil olmak üzere çeşitli çözümler sunar. 

EV’ler ve PHEV’ler için şirket, yüksek kapasiteli, enerji yoğun ve hızlı şarjlı piller üretir ve katı hal pillerinin seri üretiminde lider konumdadır. Enerji depolama çözümleri için Samsung SDI, ev çözümlerinden kamu, ticari ve endüstriyel çözümlere kadar, yenilenebilir enerji kaynaklarıyla entegre edilmiş pil ürünleri ve kesintisiz güç kaynağı (UPS) çözümleri sunar. 

Mikro‑Mobilite alanında Samsung SDI, e‑kickboard, e‑bisiklet ve e‑scooter gibi küçük, hafif son mil taşıma çözümleri için piller üretir. Bu segmentte şirket, en iyi mevcut pilleri üretmek için yüksek seviyeli malzeme ve bileşen teknolojilerini kullanır. 

E‑bisikletler için, Samsung SDI yüksek enerji yoğunluğu ve güvenlik sağlayan piller üretir. Bu piller daha ince ve hafiftir. 

Elektrikli iki tekerlekli araçlar – e‑scooter ve e‑motosikletler gibi – için Samsung SDI silindirik piller geliştirir. Bu piller yüksek kapasiteli malzemeler, benzersiz yapısal tasarımlar ve tutarlı kalite ile üretilir; bu sayede güvenli, yüksek performanslı, uzun pil ömrü ve güvenlik sağlar. 

Güç cihazları için Samsung SDI yüksek çıkışlı, yüksek kapasiteli piller sunar. Ayrıca yüksek enerji yoğunluğu, stabil güç çıkışı ve uzun pil ömrü sağlayan optimum OPE pil çözümleri sunar. Farklı kapasiteler ve çıkışlar sunan piller de üretir. Son olarak, Samsung SDI akıllı telefonlar ve giyilebilir cihazlar dahil BT cihazları için yüksek işlevli ve uzun ömürlü piller üretir. 

Ocak 2025’in sonlarında, Samsung 2024 dördüncü çeyrek ve tam yıl sonuçlarını açıkladı; yıllık gelir 16,59 trilyon KRW (11,55 milyar $) ve yıllık operasyon karı 363,3 milyar KRW oldu; piyasa yavaşlamasına rağmen. Dördüncü çeyrekte şirketin geliri 3,75 trilyon KRW olarak kaydedildi ve ESS pil işinde rekor yüksek gelire ulaştı.

2. LG Energy Solutions

Aralık 2024’te, LG Energy Solutions, Hindistanlı JSW Energy ile elektrikli araçlar ve yenilenebilir enerji depolama için batarya üretmek üzere, 1,5 milyar doların üzerinde bir yatırım gerektirecek ortak girişim hakkında görüşmelere başladı. Kamuya açık raporlara göre, iki şirket eşit ortaklık kurmak için ön anlaşma imzaladı; LGES teknoloji ve ekipman sağlayacak, JSW ise para yatıracak, bir kaynak belirtti.

Genel olarak, şirket Enerji Depolama Çözümü (ESS) pilleri ve gelişmiş otomotiv pilleriyle tanınır. ESS bölümü, güç şebekeleri ve çeşitli ev ürünleri için yüksek enerji ve yüksek çıkışlı ürünler sunar. Bu piller, LG’nin gelişmiş lamine ve yığma işlem bilgi birikimini uygulayarak elde edilen birinci sınıf pil hücresi teknolojisiyle üretilir.

Bu piller, uniform enerji çıkışı, uzun pil ömrü ve stabil yapı sunar. LG ESS pilleri ayrıca kompakt boyutları sayesinde artırılmış alan verimliliğine sahiptir. Yüksek kapasiteli, ultra ince polimer pil hücrelerini şebeke ve konut ESS’lerinde kullanarak, şirket alan kullanımını maksimize eden ve minimum kurulum alanı gerektiren ince ürünler üretir.

LG Energy Solutions ayrıca elektrikli araç pilleri için hücre, modül, BMS (Pil Yönetim Sistemi) ve paket ürünlerinin lider sağlayıcısıdır. Çözümler, hafif ve hızlı şarj olabilen yüksek enerji yoğunluklu piller içerir.

Bu pillerin çeşitli boyutları, ticari araçların sınırlı alan sorununu çözerek alan maksimize edilmesini sağlar. Pouch tipi pil hücreleri çeşitli uzunluk ve genişliklerde üretilebilir ve pil kapasitesini artırıp optimizasyonu mümkün kılar.

Ocak 2025’in son haftasında, LG Energy Solution dördüncü çeyrek ve tam yıl kazançlarını açıkladı. Tam yıl için şirket, konsolide 25,6 trilyon KRW gelir ve 575,4 milyar KRW operasyon karı bildirdi; bu, sırasıyla %24,1 ve %73,4 yıllık düşüş anlamına geliyor. Operasyon kar marjı, IRA vergi kredisi etkisi dahil %2,2 idi.

Pillerin Geleceği

Pil teknolojisi ve pil yönetiminin geleceği, birden fazla alanda iyileştirmeler yapmayı hedefleyecek. Daha yüksek özgül enerji ve enerji yoğunluğu (hacim/ağırlık başına daha fazla enerji), daha uzun ömür, daha az yanıcılık, tam şarj süresinin daha az zaman alması ve azalan seviyelendirilmiş enerji maliyeti (LOCE) aranacak. 

Araştırmacılar, 2019‑2030 dönemi için Li‑iyon pillerin teknoloji yol haritasını incelediler. Dört olası teknoloji düzenlemesi belirttiler: geleneksel Li‑iyon, Gr‑Si Anot veya Hi‑Ni Katot, katı hal pilleri ve lityum‑kükürt/hava. Sayılar, yeni pil teknolojilerinin önümüzdeki on yılda geleneksel Li‑iyon pilleri geride bırakacağını gösteriyor. 

Yeni pil teknolojilerinin ortaya çıkması, katot ve anot malzemelerinin seçimini yeniden değerlendirecek. Örneğin, LFP katotlu bir pil, NMC kullanan bir pilden daha düşük enerji yoğunluğuna sahiptir. Katot malzemesi seçimi, tam hücre seviyesindeki özgül enerji üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.

Anot malzemesinin seçimi de hayati öneme sahiptir. Genellikle grafit olan anot malzemesi, pil şarj edildiğinde lityum iyonlarının kalabileceği bir alan sağlar. Depolanan lityum iyon sayısı, doğrudan ne kadar elektrik enerjisi depolandığıyla ilişkilidir.

Araştırmacılar, Katot Teknolojisinde kademeli bir geçiş gördüklerini belirtiyor; NMC ve NCA pillerinde tipik %50 Ni oranından sırasıyla %80 ve %90’a doğru bir artış var. Yüksek Ni oranlı katotların sağladığı kapasite ihtiyacına göre, grafit anotlarına az miktarda silikon oksit veya saf silikon eklemek, hücre üreticileri arasında popülerleşiyor.

Geleceği yeniden tanımlaması beklenen beş yeni pil teknolojisi, NanoBolt lityum tungsten pilleri, Çinko‑mangan oksit pilleri, Organosilikon elektrolit pilleri, Altın nanotel jel elektrolit pilleri ve TankTwo String Cell™ pillerini içeriyor.

Örneğin NanoBolt lityum tungsten pilleri daha hızlı şarj olur ve daha fazla enerji depolar. Çinko‑Mangan oksit pilleri, özellikle büyük ölçekli enerji depolama için lityum‑iyon ve kurşun‑asit pillerine etkili bir alternatif olarak çalışabilir; ulusal elektrik şebekelerini destekler.

Wisconsin‑Madison Üniversitesi kimya profesörleri Robert Hamers ve Robert West, organosilikon (OS) bazlı sıvı çözücüler geliştirdi; bu çözücüler endüstriyel, askeri ve tüketici Li‑iyon pil pazarları için moleküler seviyede mühendislik yapılabilir.

Sıvılar kadar yanıcı olmayan jel’lerle deney yaparken, Kaliforniya Üniversitesi Irvine’deki araştırmacılar, altın nanotel’leri manganez dioksit ile kaplamayı ve ardından elektrolit jel ile örtmeyi denediler. 

Nanotel’ler genellikle pillerde kullanılamayacak kadar hassas olsa da, bu çözümler dayanıklı hale geldi ve elde edilen elektrot, araştırmacıların 200.000 döngüde şarj tutma yeteneğini kaybetmeden çalıştığını gösterdi; bu, geleneksel bir pildeki 6.000 döngüye kıyasla çok daha fazladır.

String Cell™ pili, küçük bağımsız kendi kendine örgütlenen hücrelerden oluşan bir koleksiyon içeriyordu. Her string hücresi, diğerleriyle hızlı ve kolay temas kurmasını sağlayan iletken bir malzeme ile kaplanmış bir plastik muhafazadan oluşur. İç bir işlem birimi, elektrokimyasal hücredeki bağlantıları kontrol eder.

Bir EV’nin hızlı şarjını kolaylaştırmak için, pildeki küçük toplar çekilerek servis istasyonunda şarj edilmiş hücrelerle değiştirildi. İstasyonda, hücreler düşük talep saatlerinde şarj edilebiliyordu.

Tüm bu çözümlerle, gelecekte bizi bekleyen birçok pil atılımı var.