Elektrikli araçların (EV) güvenliğini önemli ölçüde artırabilecek ve enerji şebekelerinin kararlılığını güçlendirebilecek çığır açıcı bir batarya teknolojisi geliştirildi. Bilim insanlarının bu yeni buluşu, günümüzdeki birçok cihazda kullanılan lityum-iyon (Li-ion) bataryaların yerini alabilecek veya onları tamamlayabilecek katı hal sodyum-iyon (Na-ion) bataryaların geliştirilmesi sırasında ortaya çıktı.
Bu yeni bataryalar, daha yüksek güvenlik ve daha düşük maliyet vaat ediyor. Elbette bu, araştırmacıların bataryaları büyük ölçekte ve uzun ömürlü olacak şekilde üretme sorununu çözebilmeleri halinde geçerli olacak. Araştırmacılar, bulgularını biri 19 Mayıs'ta Advanced Materials dergisinde, diğeri ise 15 Ağustos'ta Advanced Functional Materials dergisinde yayımlanan iki çalışmada duyurdu.
Günümüzde cep telefonlarından elektrikli otomobillere kadar pek çok üründe kullanılan lityum-iyon bataryalar, "termal kaçak" adı verilen bir sorundan muzdarip olabiliyor. Bu durum, bataryada kısa devre veya fiziksel hasar meydana geldiğinde, hücre içindeki ısıyı büyük ölçüde artıran kendi kendine devam eden bir zincirleme reaksiyonu tetikliyor.
Ticari Li-ion bataryalar genellikle, enerji yoğunluğu ve verimli şarj/deşarj için kritik öneme sahip organik sıvı elektrolitler içerir. Ancak bu sıvı elektrolitler oldukça yanıcıdır ve hasar gördüklerinde bataryaların alev almasına veya hatta patlamasına neden olabilir.
Na-ion bataryalar ise daha kararlı katot malzemeleri içermeleri ve sodyum iyonlarının lityum iyonlarına göre daha düşük elektrokimyasal potansiyele sahip olması sayesinde termal kaçak riskini azaltarak daha güvenli bir alternatif sunuyor.
Ancak Na-ion bataryaların Li-ion bataryalara kıyasla enerji yoğunluğunun nispeten düşük olması, yani şarjlar arasında daha kısa süre dayanmaları gibi dezavantajları bulunuyor. Ayrıca, Na-ion bataryalar mevcut durumda daha hızlı bozulabilir ve bu da genel ömürlerini düşürebilir. Bu iki faktör, geçmişte Na-ion bataryaların yaygınlaşmasını engellemişti.
Ancak yeni araştırmalarda ortaya konulduğu gibi, bilim insanları sıvı elektrolitlere benzer bir iletkenlik sağlayan ancak çok daha üstün bir kararlılık sunan, kükürt ve klor içeren katı bir malzeme üretti. Geliştirilen yeni batarya, 600 şarj döngüsü sonrasında %99,26 gibi yüksek bir Coulomb verimliliği göstererek, lityum bataryaların ulaştığı %99 ve üzerindeki değerlere yaklaştı.
Lityum Hakimiyetine Meydan Okuma
Ekip tarafından yapılan açıklamalara göre, bataryadaki sıvı elektrolit, yanıcı olmayan katı hal bir elektrolitle değiştirildi. Araştırmacılar ayrıca, sonuçlarını doğrulayan katı elektrolitlerindeki iyon hareketini incelemek için Kanada'nın ulusal senkrotron tesisi olan Canadian Light Source'u da kullandı. Bu X-ışını araçlarının, iyon yollarını ve bağlanma yapılarını standart laboratuvar cihazlarının göremediği şekillerde görmelerini sağladığı belirtildi. Bu özelliklerin, katı hal batarya malzemeleri geliştirmek için kritik öneme sahip olduğu vurgulandı.
Yeni batarya teknolojisinin, özellikle daha riskli Li-ion bataryaların doldurduğu kritik görevler için Na-ion bataryaların yaygın kullanımına yol açabileceği belirtildi. Araştırmacılar, bir sonraki adımlarının güvenlik ve enerji yoğunluğu arasındaki doğru dengeyi sağlamak ve küresel batarya talebini karşılayacak ölçekte üretilebilecek bir üretim yöntemi göstermek olduğunu ifade etti.
Dünyanın şarj edilebilir bataryalarının yaklaşık %70'ini oluştursa da, Li-ion bataryalar ağırlıklı olarak sınırlı sayıda kritik uygulamada kullanılıyor. Örneğin, Uluslararası Enerji Ajansı'nın (IEA) güncel verileri, enerji sektörünün Li-ion talebinin %90'ından fazlasını oluşturduğunu ortaya koyuyor.
Şu anda ulusal düzeydeki batarya enerji depolama sistemleri (BESS), özellikle ABD'deki tesislerde yaşanan tekrarlayan yangınların ardından artan bir inceleme altında ve yangın söndürme sistemlerinin kurulmasını gerektiriyor. Na-ion bataryalar bu endişeleri azaltmaya ve yenilenebilir enerjinin kesintili tedarikini talep üzerine daha sonra iletilebilen BESS dağıtımını hızlandırmaya yardımcı olabilir.
Sodyum, lityum ile karşılaştırıldığında bol miktarda bulunduğu için, Na-ion bataryaların seri üretimi batarya tedarik zincirinin genel maliyetini önemli ölçüde azaltabilir.
Na-ion bataryalar ayrıca, daha az tehlikeli malzeme ve ağır metal içermemeleri nedeniyle Li-ion bataryalara göre geri dönüştürülmeleri daha kolay olma gibi ek bir avantaja sahip. 2023 tarihli bir çalışma da bu konuya değiniyor.
Birçok tanınmış otomobil markası şimdiden Na-ion bataryalar üzerinde çalışıyor. Nisan ayında, dünyanın en büyük batarya üreticisi CATL, yeni "Naxtra" batarya platformunu kullanarak Na-ion bataryaları seri ürettiğini duyurdu. Bu ürünün 2026 yılından itibaren otomobillerde kullanılması bekleniyor. Çinli otomotiv devi BYD de şebeke ölçekli depolama amaçlı Na-ion bataryalar geliştiriyor.
