Enerji
Sodyum ve Hidrojen Katı Hal Pilleri Lityumu Meydan Okuyor
Securities.io sitesini Google'daki tercih ettiğiniz kaynaklara ekleyin
Lityum-İyonun Ötesine Geçmek
Otomobillerle başlayan ve yakında kamyonları, gemileri, hatta belki uçakları da kapsayacak tüm ulaşım türlerinin elektrifikasyonu, batarya depolamayı on yılın temel teknolojisi hâline getirdi.
Başlangıçta, küçük elektronikler için üretim deneyimi ve lityumun doğal elektriksel özellikleri sayesinde lityum-iyon teknolojisi alana hâkim oldu.
Ancak lityum-iyon teknolojisinin yaygınlaşmasını sınırlayabilecek bazı temel sorunları vardır:
- Diğer metallere göre daha pahalı ve daha nadirdir; bu da kullanımını ultra yüksek enerji yoğunluklu bataryalarla veya üst düzey ürünlerle sınırlayabilir.
- Yıkıcı arızalara ve batarya yangınlarına yol açabilecek metal dendritler oluşturma eğilimindedir.
- Donma sıcaklıklarında kötü çalışır; bu nedenle soğuk iklimlere ve soğuk bölgelerde sabit depolamaya uygun değildir.
Tüm bu nedenlerle bilim insanları ve batarya üreticileri alternatif kimyaları araştırıyor. Bunlardan biri, son derece bol ve ucuz deniz tuzunun bileşenlerinden biri olan sodyumu kullanmaktır.
Sodyum-iyon bataryalar seri üretim aşamasına yaklaşırken bu alanda CATL (300750.SZ) öncülük ediyor.
“Bu, sodyuma karşı lityum meselesi değil. İkisine de ihtiyacımız var. Yarının enerji depolama çözümlerini düşünürken aynı gigafabrikanın hem lityum hem de sodyum kimyasına dayalı ürünler üretebildiğini hayal etmeliyiz.”
Bununla birlikte hem lityum-iyon hem de sodyum-iyon bataryaların, daha üstün bir batarya teknolojisine geçişte ara basamak olması bekleniyor: katı hâl bataryaları.
Başlangıçta lityuma odaklanan katı hâl teknolojisi artık yeni yönlere genişliyor. Daha önce sodyum tabanlı anotsuz katı hâl bataryası olasılığını ele almıştık.
Yeni bir çalışma, metastabil bir katı sodyum elektrolit biçiminin yalnızca daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip değil, aynı zamanda sıfırın altındaki sıcaklıklarda da performansını koruyan katı hâl sodyum bataryaları üretmek için kullanılabileceğini gösterdi.
Bu çalışma University of California, University of Chicago ve National Taiwan University of Science and Technology’den bilim insanları tarafından yürütüldü ve Joule1 dergisinde “Kalın katotlu tamamen katı hâl bataryaları için metastabil sodyum closo-hidridoboratlar” başlığıyla yayımlandı.
Katı Hal Elektrolitlerinin Zorlukları
‘Normal’ bir bataryada katot ve anot sıvı bir elektrolitle ayrılır. Elektrolit çok kullanışlı olmakla birlikte ağırdır ve arızalı bataryalardaki yangınların başlıca nedenidir.
Elektrolitin katı bir malzeme tabakasıyla değiştirilmesi bataryayı hem çok daha yoğun hem de daha güvenli hâle getirir. Ancak katı elektrolitin kararlı tutulması ve şarj ya da deşarj sırasında şişerek çatlamasının önlenmesi önemli bir sorun olmuştur.
Katı sodyum elektrolitlerin ek bir sorunu da oda sıcaklığındaki iyonik iletkenliklerinin sınırlı olmasıdır.
Çok yüksek iyonik iletkenliğe sahip olduğu bilinen sodyum hidridoborat gibi bir malzeme alternatif olabilir. Ancak bunun için metastabil biçiminin büyük ölçekli bir bataryada korunması gerekir.
“Sodyum hidridoboratın bu metastabil yapısı çok yüksek iyonik iletkenliğe sahiptir; literatürde bildirilen değerden en az bir büyüklük mertebesi, öncü malzemenin kendisinden ise üç ila dört büyüklük mertebesi daha yüksektir.”
Sodyum Katı Hal Elektrolitlerini Stabilize Etmek
Sodyum hidridoboratlı bir batarya üretilirken malzeme soğuma sırasında NaBH4’ü Na2B12H12 moleküllerinden ayıran kararlı bir yapıya geçme eğilimindedir.
Yüksek sıcaklıkta iki kristali karıştıran metastabil bir biçim bulunur. Bu, sodyumun batarya içinde çok daha hızlı hareket etmesini sağlayarak elektrik kapasitesini artırır.
Kaynak: Joule
Metastabil biçimdeki malzeme hızla soğutulduğunda kristal, kararlı biçime dönmek yerine yapısını korur. Su verme olarak da adlandırılan bu hızlı soğutma yöntemi, özellikle çelik ve diğer metallerin metalürjik üretiminde yaygın olarak kullanılır.
Kaynak: Joule
Ölçeklenebilirlik İçin Bilinen Teknik
Bir kimyasal yapıyı kararlı hâle getirmek için su vermenin (hızlı soğutma) çoğu zaman yararlı olduğu zaten biliniyordu. Ancak bu yöntem şimdiye kadar katı hâl elektrolitinde hiç gösterilmemişti.
Yöntemin yaygın ve kabul edilmiş bir uygulama olması, tekniğin ölçeklenmesini ve batarya üreticileri tarafından benimsenmesini büyük ölçüde kolaylaştırabilir.
“Bu teknik yerleşik olduğu için gelecekte ölçeği büyütme konusunda daha iyi bir konumdayız.
Tamamen yeni bir şey önerirseniz veya süreçlerin değiştirilmesi ya da kurulması gerekirse sektör bunu kabul etmekte daha isteksiz olacaktır.”
Sam Oh — Singapur A*STAR Malzeme Araştırma ve Mühendislik Enstitüsü.
Kalın Elektroda ve Soğuk Sıcaklıklar
Çoğu katı hâl tasarımı, temas yüzeyini en üst düzeye çıkarmak ve enerji depolamayan ‘ölü’ malzeme miktarını azaltmak için ultra ince bir katot geliştirmeye çalışır.
Su verme işlemi, sodyum iyonlarının dolaşabileceği kalıcı gözenekler oluşturarak bu sorunu çözer.
“Metastabil fazın, klorür tabanlı katı elektrolitle kaplanmış O3 tipi bir katotla eşleştirilmesi, yüksek alan yüküne sahip kalın katotlar oluşturarak bu yeni tasarımı önceki sodyum bataryaların ötesine taşıyabilir.”
Sam Oh — Singapur A*STAR Malzeme Araştırma ve Mühendislik Enstitüsü.
Bu, ilginç bir tasarım olanağı yaratır; çünkü bu özel durumda elektrodu kalınlaştırmak bataryayı kötüleştirmek yerine iyileştirmelidir.
“Katot ne kadar kalınsa bataryanın teorik enerji yoğunluğu—belirli bir alanda depolanan enerji miktarı—o kadar artar”,
Sam Oh — Singapur A*STAR Malzeme Araştırma ve Mühendislik Enstitüsü.
Katodu test eden araştırmacılar, performansın oda sıcaklığında ve hatta donma noktasının altında korunduğunu gördü. Bu, geleneksel sıvı elektrolitli lityum-iyon bataryalara kıyasla soğuk iklimlerde kullanım için önemli bir avantajdır; ancak ticari lityum-iyon sistemlere göre genel sistem üstünlüğü henüz kanıtlanmamıştır.
Hidrojen Bir Yük Taşıyıcı Olarak
Ulaşım ve yeşil enerji bağlamında hidrojenden söz edildiğinde genellikle dihidrojen (H2) ile bunun özel motorlarda veya yakıt hücrelerinde yakılması ya da oksitlenmesi kastedilir.
Ancak hidrojen geleceğin bataryalarında da kilit bir bileşen olabilir ve lityum ya da sodyumun yerini alabilir. Bu durumda hidrit (H−) kullanılır.
Hidrojen evrendeki en bol element olduğundan, tamamen elektrikli ve yeşil enerji ile bataryalara dayalı bir dünya için özellikle yararlı olabilir.
University of Chinese Academy of Sciences, University of Science and Technology of China (USTC), Jilin University ve Çin Devlet Kataliz Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar, saygın Nature2 dergisinde “Oda sıcaklığında şarj edilebilir tamamen katı hâl hidrit iyon bataryası” başlığıyla katı hâl hidrit iyon bataryası kavramını açıkladı.
Hidrit İyonları
Bataryalar, elektronları anot ile katot arasında taşımak için negatif bir yük taşıyıcısı kullanır. Teorik olarak hidrit iyonları (H−), lityum veya sodyum gibi katyonlardan daha enerjik, polarize edilebilir ve reaktiftir.
Hidrojen aynı zamanda en küçük atomdur ve bu nedenle özellikle hafiftir; ulaşımda kullanılan bataryalar açısından önemli bir özelliktir.
Bu iyi bilinen avantajlara rağmen hidrit iyonları şimdiye kadar bataryalarda kullanılmadı; çünkü hiçbir elektrolit bu sistemlerin ihtiyaç duyduğu hızlı iyon hareketi, termal kararlılık ve elektrot uyumluluğu birleşimini sağlayamadı.
İletkenliği Stabiliteyle Birleştirmek
Araştırmacılar, ince bir BaH2 kabuğunun CeH3 çekirdeğini çevrelediği yeni bir çekirdek-kabuk kompozit hidrit, 3CeH3@BaH2, sentezledi. Yapı CeH3’ün yüksek hidrit iyon iletkenliğini ve BaH2’nin kararlılığını birlikte kullanır.
Bu kabuk kompozitini yapı taşı olarak kullanan araştırmacılar, CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4 tamamen katı hâl hidrit iyon prototipi geliştirdi. Klasik bir hidrojen depolama malzemesi olan NaAlH4, aktif katot bileşeni olarak kullanıldı.
Dendritleri Sonsuza Dek Kaldırmak?
Yüksek enerji kapasitesinin yanında hidrit iyonlarının bir başka büyük avantajı vardır: Metalik katyonların aksine bir araya gelerek, çok sayıda şarj-deşarj döngüsünden sonra kısa devre ve yangına yol açan batarya arızalarının temel nedeni olan dendritleri oluşturamazlar.
Dolayısıyla güvenli, verimli ve sürdürülebilir enerji depolamanın yolu olabilirler.
Ancak bu teknoloji lityum bataryalardan, hatta sodyum bataryalardan çok daha az olgundur ve tasarımın dayanıklılığı konusunda ilerleme gerekir.
Araştırmacılar şimdilik oda sıcaklığında 984 mAh/g gibi yüksek bir enerji kapasitesine ulaştı. Ancak batarya kapasitesi yalnızca 20 döngü sonra 402 mAh/g’ye düştü.
Katı Hal Pillerinin Geleceği
Yakın vadede lityum-iyon teknolojisini kullanan bataryalar muhtemelen yeşil enerji ve elektrikli araçların temelini oluşturmaya devam edecektir.
Orta vadede katı hâl bataryaları veya sodyum bataryaları (katı hâl sodyum dâhil), özellikle daha düşük fiyata yeterince yüksek enerji yoğunluğu sunabilirse lityum-iyon hâkimiyetini aşındırabilir.
Katı hâl bataryalarının hızlı şarj özelliği, elektrikli araçlara geçmekte isteksiz sürücüler ve ticari uygulamalar için de güçlü bir gerekçe olabilir.
Dayanıklılık ve soğuk sıcaklıklara tolerans da denklemde yer alacaktır. 2030’lar boyunca farklı batarya kimyaları paralel biçimde var olabilir ve bazı bataryalar soğuk iklimlerdeki elektrikli araçlar için özelleşebilir.
Bu konular hakkında aşağıdaki makalelerimizden daha fazla bilgi edinebilirsiniz:
Kaydırmak için sürükleyin →
| Pil Türü | Enerji Yoğunluğu | Döngü Ömrü | Maliyet | Olgunluk |
|---|---|---|---|---|
| Lityum-iyon | 250–300 Wh/kg | 1.000+ döngü | Yüksek | Ticari |
| Sodyum-iyon | 160–200 Wh/kg | 1.000+ döngü | Düşük | Ölçeklenme (CATL) |
| Katı hâl (lityum) | 350–500 Wh/kg | >2.000 döngü (hedef) | Yüksek (Ar-Ge) | Pilot (2026–27) |
| Hidrit iyon | 984 mAh/g (prototip) | 20 döngü (güncel) | Bilinmiyor | Erken Araştırma |
Katı Hâl Batarya Şirketi
QuantumScape
QS Fiyat Grafiği
2010’daki kuruluşundan bu yana Kaliforniya merkezli QuantumScape (QS ), katı hâl batarya alanının önde gelen girişimlerinden biri oldu. Alana erken girmesi ve aynı teknolojiyi geliştiren CATL (300750.SZ), Samsung veya LG Energy Solution (373220.KS) gibi büyük üreticilerden bağımsız olması dikkat çekicidir.
Kaynak: QuantumScape
QuantumScape bataryalarının tanıtıldığında devrim niteliğinde görülen özgün özelliklerinden biri anotsuz bir tasarım kullanmasıdır.
Bu tasarım yaklaşık 15 dakikada hızlı şarj (45 ºC’de %10’dan %80’e) sağlar; ayırıcı ise yanıcı değildir ve tutuşmaz.
Kaynak: QuantumScape
Bu özellikler QuantumScape bataryalarını enerji yoğunluğu ve şarj hızı bakımından ayrı bir sınıfa taşır; Tesla (TSLA ) gibi liderlerin hem kendi tasarımlarını hem de CATL üretimi bataryalarını büyük ölçüde geride bırakır.
Kaynak: QuantumScape
Ancak bu etkileyici performans, üretimi artırma güçlükleri nedeniyle düzenli olarak sekteye uğradı. Şirket nakit rezervlerini tüketmek zorunda kaldı; bu durum önceki yatırımcıların paylarını seyreltti ve hisse fiyatını düşürdü.
Bu durum, Volkswagen Grubu’nun batarya bölümü PowerCo ile 2024’te yapılan anlaşmadan sonra değişiyor gibi görünüyor. Anlaşma, QuantumScape bataryalarının PowerCo tarafından tasarlanması ve seri üretilmesi için lisans veriyor.
Münhasır olmayan lisans anlaşması kapsamında PowerCo yılda 40 gigawatt-saat elektrikli araç bataryası üretebilir ve kapasiteyi yılda 80 GWh’ye çıkarma seçeneğine sahiptir.
QuantumScape üretiminin hızla ölçeklenmesi, seramik üretiminde bir atılım olan şirketin yeni nesil katı hâl batarya ayırıcı ekipmanı Cobra ile bağlantılıdır.
Cobra’nın 2025’te üretime entegre edilmesi ve QuantumScape bataryalı ilk tamamlanmış elektrikli aracın 2026’da üretilmesi bekleniyor.
Kaynak: QuantumScape
Bu, şirket için bir dönüm noktası olabilir. QuantumScape kuruluşundan 16 yıl sonra, ilgi çekici fikrî mülkiyete sahip umut vadeden bir girişimden dünyanın en büyük otomobil üreticilerinden biriyle ortaklığı sayesinde büyüyen gelirler sağlayan bir şirkete dönüşebilir.
PowerCo ile ilişki 2025’te daha da yakınlaştı; katı hâl bataryaları bir Ducati motosikletinde kullanıldı ve ortak ölçeklendirme ekibi belirli kilometre taşlarına ulaşırsa PowerCo önümüzdeki iki yıl içinde $131 milyona kadar yeni ödeme yapacak.
“Bu genişletilmiş anlaşma, iki şirket arasındaki stratejik, teknik ve finansal uyumun arttığının açık bir işaretidir.
Bu, QSE-5’in batarya sektörü için ezber bozan bir platform olduğuna dair ortak güvenimizi yansıtıyor.”
Bu arada yatırımcılar, ürün geliştirme tünelinin sonunda ışık görünse de hisse fiyatında dalgalanma beklemeye devam etmelidir.
(ABD’deki ve diğer ülkelerdeki başka batarya şirketlerini
“Yatırım Yapılabilecek En İyi 10 Batarya Hissesi” başlıklı makalemizde de inceleyebilirsiniz.)
Referans Çalışma
1. Jin An Sam Oh, et al. Kalın katotlu tüm katı hal piller için metastabil sodyum closo-hidrido-boratlar. Joule. 102130. 16 Eylül 2025. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3
2. Jirong Cui, et al. Oda sıcaklığında şarj edilebilir tüm katı hal hidrit iyon pili. Nature. 17 Eylül 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3
