Akıllı telefonlardan elektrikli arabalara kadar hayatımızın her alanına güç veren Lityum-iyon (Li-ion) piller, genellikle sert ve sızdırmaz muhafazalar içinde korunur. Bu yapı, hassas pil bileşenlerini fiziksel baskılardan korurken, aynı zamanda yanıcı ve zehirli elektrolitlerin hava ile temasını engelleyerek güvenliği sağlar. Ancak bu katı yapı, pillerin yumuşak robotlar veya giyilebilir teknoloji ürünleri gibi esneklik gerektiren alanlarda kullanılmasını zorlaştırır. Bu engeli aşmak isteyen Kaliforniya'daki bir üniversiteden bilim insanları, bükülmeye, eğilmeye ve hatta maket bıçağıyla kesilmeye dahi dayanabilen, esnek, zehirli madde içermeyen ve jel kıvamında yeni bir batarya türü geliştirmeyi başardı.
Daha önce de hidrojel (su bazlı jel) elektrolitler kullanılarak esnek piller üretilmişti, ancak bu pillerin önemli dezavantajları bulunuyordu. Önceki hidrojel tabanlı esnek pillerin kullanım ömrü oldukça kısaydı; bazıları yalnızca birkaç saat veya birkaç gün dayanabiliyordu. Fakat bu yeni geliştirilen batarya, tam 500 şarj-deşarj döngüsüne dayanarak önemli bir ilerleme kaydetti. Bu değer, günümüzdeki çoğu akıllı telefon pilinin kullanım ömrüne oldukça yakın bir seviyede.
Su İçinde Güç Depolamak
Araştırmacılar, mevcut pillerin sert bir dış kaplamaya ihtiyaç duymasının temel nedeninin, içerdikleri elektrolitlerin patlayıcı özellikte olması olduğunu belirtiyor. Geliştirilen yeni teknolojiyle hedeflenen ise, bu sert kılıf olmadan da güvenle çalışabilecek bir batarya yaratmak. Polimer gibi esnek ambalaj malzemeleri, hava veya su sızıntılarına karşı daha savunmasızdır. Standart elektrolitler ise hava veya suyla temas ettiğinde kimyasal tepkimeye girerek yüksek ısı üretebilir, bu da yangın ve patlama riskini beraberinde getirir. İşte bu nedenle bilim insanları, 2017 yılından itibaren 'yarı katı-hal hidrojel elektrolitler' olarak adlandırılan malzemeler üzerinde çalışmaya başladı.
Bu hidrojeller, temel olarak jelin şeklini korumasını sağlayan bir polimer ağı, bu ağı bir arada tutan çapraz bağlayıcılar (örneğin boraks veya hidrojen bağları), su bazlı bir sıvı ortam ve batarya şarj olup boşalırken jel içinde iyonların hareket etmesini sağlayan tuz veya diğer elektrolit katkı maddelerinden oluşur.
Ancak bu tür hidrojellerin de kendi zorlukları vardı. En önemli sorunlardan biri, 'elektrokimyasal kararlılık penceresi' olarak bilinen, bataryanın güvenle çalışabileceği voltaj aralığının dar olmasıydı. Araştırmacılar, "Bu durum, bataryanın üretebileceği toplam voltajı sınırlıyor. Günümüzde piller genellikle 3.3 volt civarında çalışır, bu yüzden kararlılık penceresinin bundan daha yüksek, muhtemelen dört volt gibi bir değerde olması gerekir," şeklinde açıklıyor. Bu hidrojel elektrolitlerin temelini oluşturan su, normalde yaklaşık 1.2 voltluk bir gerilime maruz kaldığında bileşenleri olan hidrojen ve oksijene ayrışma eğilimindedir. Geçmişteki bazı çalışmalarda bu sorun, yüksek oranda flor içeren lityum tuzları ile doyurulmuş yoğun tuzlu su kullanılarak aşılmaya çalışıldı. Bu yöntem suyun ayrışmasını zorlaştırsa da, kullanılan florlu lityum tuzlarının insan sağlığı için oldukça zehirli olması nedeniyle yeni güvenlik endişelerini beraberinde getirdi.
