Ultra-Dayanıklı Piller: Neden Yeni Nesil Teknoloji Yıllar Değil, Onlarca Yıl Dayanacak

Dayanacak Şekilde Tasarlanan Piller

As the world electrifies and switches to renewable energy, the need for more energy storage grows. This is in part driven by the switch to EVs, but also due to the intermittent nature of renewable production.

Dünya elektrifikasyonunu artırıp yenilenebilir enerjiye geçtikçe, daha fazla enerji depolama ihtiyacı artıyor. Bu, kısmen elektrikli araçlara geçişten kaynaklanıyor, ancak aynı zamanda yenilenebilir üretimin kesintili doğasından da etkileniyor.

Bu, hidroelektrik veya nükleer gibi diğer düşük karbonlu enerji kaynaklarıyla, ya da gelecekte jeotermal enerjiyle kısmen telafi edilebilir. Yine de, yeşil enerji savunucuları, düşük maliyetli güneş (ve rüzgar) enerjisinin enerji sistemlerimizin temeli olmasını çok daha çok tercih eder.

Bu durum, mobilite için kullanılan pillerden temelde farklı özelliklere sahip piller talebini doğurur.

Elektrikli araçlar, aracın şasisine sığacak kadar hafif ve hacim olarak küçük, ancak çok enerji yoğunluğuna sahip pillere ihtiyaç duyar. Dayanıklılık bir endişe kaynağıdır, ancak pil 10-15 yıl boyunca çalışabildiği sürece, bu muhtemelen aracın diğer bileşenlerinin dayanıklılığıyla uyumludur.

Buna karşı, enerji depolama pilleri ağırlık veya hacim açısından çok daha az kısıtlamaya sahiptir. Ancak, maliyet açısından kesinlikle sınırlıdır, çünkü bunlar temelde yeşil enerji ve şebeke üretiminin ek bir maliyetidir.

Enerji depolamanın maliyetini azaltmanın bir yolu, pili inşa etmek için lityum yerine daha ucuz bir malzeme kullanmaktır. Daha önce “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech” başlıklı yazımızda tartıştığımız gibi, sodyum-iyon, demir-hava, çinko, deniz tuzu, polimerler, sodyum-sülfür veya hatta erimiş metaller gibi birçok alternatif değerlendirilmektedir.

Bir batarya sisteminin ömür maliyetini azaltmanın bir diğer önemli unsuru, sistemin birkaç on yıl dayanmasını sağlamaktır. Yatırımın birçok yıl boyunca amortismanı, bataryanın yıllık sermaye maliyetini çok daha düşük bir seviyeye getirir. Bu da, yeni enerji santrallerini 30-50 yıllık dönemlerde amorti etmeye alışık olan hizmet şirketleri için daha kabul edilebilir bir durumdur.

Piller Neden Arızalanır?

Dendritlerden Ölüm

Neredeyse sonsuza kadar dayanacak bir pil inşa etmeden önce, çoğu pilin zamanla şarj kaybetmesinin veya çalışmayı durdurmasının nedenlerine bakmamız gerekir.

Özellikle lityum-iyon pillerde kilit bir faktör dendritlerin büyümesidir. Bu sarkıt benzeri yapı, pilde metalin uygunsuz birikiminden kaynaklanır ve zamanla katot ile anot arasındaki bariyeri kırarak kısa devre ve felaket bir yangına yol açabilir.

Kaynak: Nobel Prize

Bu yangın tehlikesi nedeniyle, dendritler hizmet şirketleri için özellikle ciddi bir sorundur; bir pil hücresindeki yangın, yakınlardaki milyarlarca dolarlık bir pil parkına hızla yayılabilir. Bu nedenle, dayanıklı bir pil teknolojisinin dendrit oluşumu riskinin neredeyse hiç olmaması gerekir.

Ayrıca, dendritlerin genellikle lityum-iyon pillerle tartışıldığını, ancak metalik anot ve/veya katot kullanan çoğu pilde de yaygın bir sorun olduğunu belirtmek gerekir.

Şarj Kaybı

Pillerin arızalanmasının bir diğer yolu, enerji depolama kapasitelerinin yavaşça kaybolmasıdır. Bu genellikle elektrottaki metalin bir kısmının geri dönüştürülemeyen bir forma birikmesinden kaynaklanır.

Kaynak: EnergSoft

Diğer nedenler arasında mekanik ve termal stres nedeniyle oluşan küçük çatlaklar, yapısal bütünlüğün kaybı, istenmeyen birikintilerin birikmesi vb. yer alabilir.

Kaynak: EnergSoft

Dolayısıyla, bir pil teknolojisi bu yavaş bozulmaya ne kadar duyarlıysa, toplam şarj o kadar azalır ve pil giderek işe yaramaz hâle gelir. Ayrıca, bozulmuş piller şarjı daha az tutar ve depolanan enerjiyi daha fazla harcar, bu da onları daha az karlı kılar.

Bu nedenle ideal pil teknolojisi, bileşen malzemesinin yavaş bozulmasına karşı dayanıklı olmalı ya da tüm sistemi geri dönüştürmeye gerek kalmadan düzenli olarak ilk hâline getirilebilmelidir.

Pillerin nasıl bozulduğuna dair detayları öğrenmek istiyorsanız, bu 22 dakikalık videoya da göz atabilirsiniz:

Döngü Ömrü

Pil dayanıklılığını ölçmek karmaşık bir konudur. Örneğin, çoğu EV pil sistemi genellikle mil başına ölçülür; yani yeni bir pil paketi gerekmeksizin bir EV’nin ne kadar mesafe kat edebileceği.

Bunu ölçmenin bir diğer yolu, pil toplam şarjının önemli bir kısmını kaybetmeden önce gerçekleştirilebilecek şarj-deşarj döngüsü sayısıdır. Enerji depolama için, günde 1-3 kez şarj-deşarj döngüsü beklenir.

Son olarak, bir şarjın ne kadar süre tutulabileceği de önemli bir sorudur; çünkü çoğu pil her gün biraz şarj kaybeder. Bu arada, rüzgar haftalarca durabilir ve kış günleri, özellikle soğuk iklimlerde, en az güneş ışığına ve en yüksek enerji tüketimine sahiptir. Bu nedenle teorik olarak, haftalarca hatta aylarca çok az kayıpla enerji depolayabilen bir pil ideal seçenek olur.

Sıcaklık Toleransı

Çoğu pil teknolojisi, özellikle dondurucu sıcaklıklarda, soğuğa karşı oldukça hassastır. Büyük ölçekli enerji depolama muhtemelen bir güç istasyonunun yakınındaki açık alanda yapılacağından, bu durum soğuk iklimlerde kış aylarında ciddi bir sorun teşkil eder. Depolanan enerjinin önemli bir kısmı pilleri ısıtmak için harcanırsa, bu pillerin işletme ekonomisini büyük ölçüde etkiler.

Ultra Dayanıklı Pil Teknolojileri

Bal Peteği Pilleri

Sonuçta, alternatif kimyalar tamamen yenilenebilir odaklı bir şebekeyi beslemede kazanan olacak olsa da, pil üreticileri mevcut teknolojilerini daha dayanıklı hâle getirme yollarını araştırıyor.

Böyle bir örnek, CATL’nin (300750.SZ) bal peteği pilleri. Dünya pillerinin yarıdan fazlasını üreten pil devi CATL, bu teknolojiye büyük bir bahis yapıyor. Bu, kısmen 2020 yılında yayınlanan “Stretchable lithium-ion battery based on new micro-honeycomb structure” adlı bilimsel makaleye dayanıyor.

Kaynak: Phys.org

2021 tarihli bir bilimsel makaleden, bal peteği şeklinin bazı temel avantajlarını öğrenebiliriz; özellikle düşük yoğunluk ve yüksek düzlem dışı sıkıştırma ve kayma özellikleri (malzemelerin paralel fakat zıt yönlerdeki kuvvetlere karşı direnci).

Pil fiziksel konfigürasyonundaki bu değişiklik, malzemeyi doğru konumda tutar ve şarj sırasında çatlak ve büzülmeyi önler.

CATL’nin bunu nasıl başardığı net olmasa da, bu yöntemlerin bazıları biliniyor; örneğin, karbon ve asit ile ardışık termal ve kimyasal işlemler nano-bal peteği yapısı oluşturabilir.

Kaynak: Chemistry Europe

Kaynak: Chemistry Europe

Genel olarak, bal peteği pil yapısı çatlak ve dendrit oluşumunu önlüyor gibi görünüyor ve lityum-iyon ve LFP (lityum demir fosfat) pil teknolojilerinin iyi anlaşılmış prensiplerine dayanarak ultra dayanıklı bir pil oluşturuyor.

Bu, CATL’nin yeni ürününün çekirdeğinde yer alıyor olabilir; TENER konteynerleştirilmiş LFP pil sistemi, ki bu sistem 5 yıllık tam operasyon sonrası kapasite kaybı göstermemiştir.

TENER, şimdi CATL tarafından hizmet şirketlerine ticarileştirilmeye başlanıyor.

Kaynak: Sustainability Environment

Katı Hal Pilleri

Kimyasal değişikliklerin yanı sıra, pillerin inşa edilme şekli de daha yoğun ve daha dayanıklı piller üretmek için değiştirilebilir.

Bu, çoğu pil tasarımındaki sıvı elektroliti katı bir metal tabakasıyla değiştiren katı hal pillerinin temel fikridir. Teoride, en yüksek enerji yoğunluğuna sahip pillerin inşasını sağlayabilir, ancak belki de en ucuzları olmayabilir.

Yakın zamana kadar, bu fikir ölçekli olarak uygulanması zor oldu; çünkü metal katmanlar arasında mükemmel temas gerekir. Şarj-deşarj sırasında mekanik hareketler de genellikle çatlak oluşumuna yol açar.

Kaynak: Flash Battery

Ancak, birçok şirketin son gelişmeleri QuantumScape (QS ), Toyota (TM ), Samsung SDI (006400.KS) veya Hyundai (HYMTF) gibi batarya fabrikaları ve 2028-2030 için kitlesel üretim, teknolojinin artık olgunlaşmaya başladığını gösteriyor.

Teoride, iyi geliştirilmiş katı hal pilleri, EV’lerdeki tüm lityum-iyon, LFP ve hatta sodyum-iyon pilleri kademeli olarak yer değiştirebilir.

Bu pillerin nihai fiyatı, ölçekli üretimde henüz görülmedi; bu, şebeke enerji depolama uygulamaları için yeterince ucuz olup olmayacağını belirleyecek. Belki anot içermeyen sodyum katı hal pilleri gibi özel konseptler bu görevi üstlenebilir, çünkü pahalı lityum metalinin kullanımını önler.

(Bu teknolojiye yatırım fırsatları hakkında daha fazla bilgi edinmek için “5 En İyi Katı Hal Pil Hisseleri: İzle veya Satın Al” başlıklı yazıya göz atabilirsiniz).

Çinko Pilleri

Çinko, çok ucuz ve bol bulunan bir metal olduğu için uzun süredir şarj edilemez pilllerde kullanılmıştır. Yeniden kullanılabilir piller de çinko ile, özellikle çinko bazlı sulu piller (ZAB’ler) olarak üretilebilir.

Ancak, bu tasarım dendrit oluşumu, parazitik hidrojen evrimi reaksiyonu (HER) ve yüzey korozyon pasivasyonu gibi sorunlarla boğuşmuş, bu da kullanımını ciddi şekilde azaltmıştır.

Bu durum, Münih Teknik Üniversitesi’nde yapılan yeni araştırmalar sayesinde değişiyor¹. TpBD-2F adlı gözenekli bir organik polimer kullandılar. Bu malzeme, çinko anotunda stabil, ultra ince ve yüksek derecede düzenli bir film oluşturur; çinko iyonlarının nano kanallardan verimli akmasını sağlarken suyu anottan uzak tutar.

Kaynak: Advanced Energy Materials

Montajı yapılan tam hücreler (Zn-iyon kapasitörler), dendrit oluşumunun neredeyse tamamen önlenmesi, HER ve korozyonun olmaması sayesinde 100.000’den fazla döngüde ultra uzun bir ömür sunarak şaşırtıcı bir dayanıklılık gösterir.

Çinko pillerine ek olarak, araştırmacılar bu konseptin diğer metal anotlara da genişletilebileceğini düşünüyor: lityum, sodyum, potasyum, alüminyum vb.

TAQ-Polimer ve Sodyum-İyon Pilleri

Polimer (karbon) ve lityum yerine sodyum kullanmak, bir pildeki hammadde maliyetini azaltmanın harika bir yolu olabilir. Bu, MIT araştırmacılarının TAQ-sodyum-iyon pilinde birleştirdiği şeydir.

İlk testlerde, lityum pillerden daha yüksek enerji yoğunluğu ve ultra hızlı 6 dakikalık şarj sağlarken, görünür bir bozulma olmadan 2.000 şarj-deşarj döngüsü gerçekleştirdi.

Bu, ultra dayanıklı pil yarışını kazanacak pil kimyasının sadece mevcut teknolojinin bir uzantısı olmayıp, pilde kullanılabilecek malzemelerin köklü bir şekilde yeniden düşünülmesi gerektiğini gösteriyor; hem ucuz hem de bol bulunan karbon ve sodyum gibi elementler iyi adaylardır.

Erimiş Metal Pilleri

Çoğu pil konsepti, katı metal atomlarının bir oksidasyon durumundan diğerine elektron transferine dayanır. Bu sistemlerde, kısa devreleri önlemek için anot ve katotların mükemmel bir şekilde ayrılması gerekir.

Metal miktarı arttıkça ve elektrolit gibi sıvı parçalar azaldıkça, katı hal pillerinde olduğu gibi, pil endüstrisinin çoğu bu yönde ilerliyor.

Bir pilin ne olabileceğini kökten genişletmek adına, erimiş metal pilleri tam tersini yapıyor: üç ana bileşen—anot, katot ve elektrolit—sıvıdır.

Farklı sıvı yoğunlukları sayesinde birbirlerinden kendiliğinden ayrılırlar. Katı bileşenlerin olmaması, teorik olarak pilin ömrünü büyük ölçüde artırmalı, çok hızlı şarj ve deşarj olmasını ve tamamen geri dönüştürülebilir olmasını sağlamalıdır.

Kaynak: Ambri

Bill Gates’in desteklediği Ambri şirketi, kalsiyum ve antimon pilini kullanarak bu teknolojinin öncüsü olmuştur. ürete 2024 yılına kadar yeni fabrikasında yılda 200.000 pil hücresi planlamıştı.

Ancak bu gerçekleşmedi, çünkü şirket üretimi ölçeklendiremeden önce para sıkıntısına düştü. O zamandan beri 2024 yazında 11. bölüm iflasından çıktı ve hâlâ kurucu ortağı Dr. David Bradwell CEO olarak yönetmeye devam edecek.

Özel, güvenli ve düşük maliyetli ticari ürünümüzü müşterilerimize ölçekli olarak sunmayı, pil sistemlerimize olan güçlü müşteri talebini karşılamayı ve daha temiz bir enerji geleceği yaratmayı dört gözle bekliyoruz.

Daha güçlü bir bilanço ve yeni sermaye ile bu yeni başlangıca adım attığımızda, Ambri’yi paydaşlarımızın yararına uzun süreli enerji depolama pazarında lider bir rol oynamaya konumlandırmaya odaklanıyoruz.

David Bradwell

Dolayısıyla Ambri henüz ölmedi ve erimiş piller üzerinde çalışan tek şirket değil. Japon NGK izolatörü (NGKIF) de sodyum-sülfür erimiş tuz pili üzerinde çalışıyor ve Horien şirketi de sodyum-nikel-klorür pili üzerinde çalışıyor.

Her iki şirketin ürünleri zaten ticarileştirildi ve 20+ yıl ömür beklentisiyle değerlendiriliyor.

Isı / Termal Piller

Pil tanımını elektrik depolamadan sadece herhangi bir enerji depolamaya kadar genişleterek, ısı pilleri yeşil enerjiyi elektrokimyasal enerji yerine ısı şeklinde depolar.

Bu, “normal” pillere göre birkaç önemli avantaj sağlayabilir:

• Yeterli izolasyonla birkaç ay boyunca ısı tutma tamamen mümkündür, oysa kimyasal piller her gün daha fazla güç sızdırır.
• Isıyı tutan malzemenin çoğu, önemli bir bozulma olmadan yüzbinlerce kez döngüye alınabilir.
• Kullanılan malzemeler ucuz ve bol miktarda bulunur; örneğin kum veya saf karbon.

Uygun fiyatlı malzemeler, on yıllar boyunca neredeyse sıfır bozulma ve aylarca enerji tutma kombinasyonu, ısı pillerini iyi bir aday yapar.

Bu fikir çoğunlukla özel şirketler tarafından araştırılıyor; özellikle Finlandiyeli Polar Night Energy, yazın fazla enerjiyi kışa depolamak için sadece düşük kaliteli kum ve çerçeve ile borular için biraz metal kullanıyor.

Kaynak: Polar Night Energy

Benzer bir ısı pili, Rondo Energy tarafından tasarlanıyor; 1500°C’ye kadar ısıtılabilen seramik tuğlalar, çimento veya çelik üretimi gibi endüstriyel süreçlerde ısı olarak kullanılabilir.

Kaynak: Rondo Energy

Genel olarak, bu, ağır sanayi ve apartmanların kış ısıtması gibi hâlâ çok fosil yakıt tüketen sektörlerin karbon ayak izini azaltmak için harika bir seçenek olabilir. Özellikle tasarım, güneşli yazdan bulutlu kışa enerji depolamaya yardımcı olur.

Depolanan ısı, termofotovoltaik hücreler sayesinde tekrar enerjiye dönüştürülebilir; Michigan Üniversitesi araştırmacıları, %44 verimlilikle rekor kıran hücreler geliştirdi².

Kaynak: Design Boom

Sonuç

Elektrik şebekeleri ve evler için pil sistemleri, mevcut lityum-iyon teknolojisine daha az, daha ucuz ve daha dayanıklı teknolojilere daha çok bağımlı olacak; bu teknolojiler enerji yoğunluğu daha düşük olsa da. Şimdilik, kitlesel ticarileşmeye hazır olanlar gelişmiş bal peteği yapılı LFP ve sodyum-iyon pillerdir.

Uzun vadede, erimiş metal, çinko, polimer veya ısı pilleri gibi daha egzotik çözümler karışıma eklenecek. Sonuçta, dayanıklılık, malzeme maliyeti ve üretim maliyeti, ultra dayanıklı enerji depolamanın “final formu”nü belirleyecek faktörler olacaktır.

Yani, katı hal pilleri tüm enerji depolama pazarını devralacak kadar ucuz çıkmazsa, bu da olası bir durumdur.

Ultra-Dayanıklı Pil Şirketi

QuantumScape

2010 yılında kurulmasından bu yana, Kaliforniyalı Quantum Scape, katı hal pil alanında önde gelen bir startup olarak dikkat çekiyor; alana erken girmesi ve CATL (300750.SZ), Samsung veya LG Energy Solution (373220.KS) gibi katı hal teknolojisini takip eden büyük pil üreticilerinden bağımsızlığıyla öne çıkıyor.

Kaynak: QuantumScape

QuantumScape pillerinin o dönemde devrim niteliğinde kabul edilen benzersiz bir özelliği, anot içermeyen bir tasarım kullanmasıdır. Bu, ~15 dakikalık hızlı şarj (45 ºC’de %10-80) sağlar ve ayırıcı yanmaz ve yanıcı değildir.

Kaynak: QuantumScape

Bu aynı zamanda QuantumScape pillerini enerji yoğunluğu ve şarj hızı açısından kendi liginde konumlandırır; Tesla (TSLA ) gibi liderleri (hem kendi tasarımı hem de CATL tarafından üretilenleri) büyük ölçüde geride bırakır.

Kaynak: QuantumScape

Ancak, bu dikkate değer performanslar, üretimi artırma mücadelesi nedeniyle düzenli olarak engellendi. Ayrıca şirketi nakit rezervlerini tüketmeye zorladı; bu da önceki yatırımcıların hisselerinin seyreltilmesine ve hisse fiyatlarının düşmesine yol açtı.

Bu durum, 2024’te PowerCo ile yapılan anlaşma sayesinde değişiyor gibi görünüyor; Volkswagen Grubu’nun batarya bölümü, QuantumScape pil tasarımının lisansını ve PowerCo tarafından kitlesel üretimini kapsıyor.

Tek eksiksiz olmayan lisans anlaşması kapsamında, PowerCo yılda 40 gigawatt-saat elektrikli araç bataryası üretebilir; ayrıca bu kapasiteyi 80 GWh’ye çıkarmak da mümkün.

QuantumScape üretiminin ani ölçeklendirilmesi, Cobra, şirketin bir sonraki nesil katı hal pil ayırıcı ekipmanı ile bağlantılı gibi görünüyor; bu, seramik üretiminde bir atılım.

Genel olarak, Cobra 2025’te üretime entegre edilmeli ve QuantumScape pillerini kullanan ilk tamamlanmış EV 2026’da üretilmelidir.

Kaynak: QuantumScape

Bu, şirket için bir dönüm noktası olabilir; kuruluşundan 16 yıl sonra, ilginç fikri mülkiyete sahip vaatli bir startup’tan dünyanın en büyük otomobil üreticilerinden biriyle ortaklıktan artan gelirler elde eden bir konuma geçiş.

Bu arada, yatırımcılar hisse fiyatında bir miktar dalgalanma beklemeli, ancak ürün geliştirme sürecinin sonunda bir ışık olduğunu unutmamalıdır.

QuantumScape ile En Son Gelişmeler

Çalışma Referansı:

^{1. Da Lei, et al, (2024) Ion-Transport Kinetics and Interface Stability Augmentation of Zinc Anodes Based on Fluorinated Covalent Organic Framework Thin Films. Advanced Energy Materials. 13 Ekim 2024}

^{2. Bosun Roy-Layinde, et al. (2024) High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells. Joule. Cilt 8, Sayı 7, s2135-2145. 17 Temmuz 2024.}