Nobel 2019 Kimya Ödülü Sahibi Lityum İyon Pillerinin Bilimsel Arka Planı — Bölüm 1
Bu konuyu 4 farklı bölümden oluşacak bir yazı serisiyle anlatmak istedim. Çünkü daha fazla üretime karşı daha az maliyet ve çevreye daha az zararla pil teknolojileri akademinin ve endüstrinin gözde konularından birisi.
İlk bölüm pillerin neden önemli olduğu , tarihsel süreçte genel çalışma mekanizmaları ve lityum iyon pillerinin önemi ile ilgili. Diğer 3 bölüm sırasıyla Nobel Kimya 2019 Ödüllü kazananları John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, ve Akira Yoshino tarafından yapılan çalışmaların açıklamasıyla ilgili.
İnsanlık Enerjiyle Nasıl Başa Çıkıyor ?
Ürettiğimiz teknolojiler gün geçtikçe daha fazla hıza, veriye ve sürdürülebilir enerjiye ihtiyaç duyuyor. Dünya tarihine baktığımızda enerji alanında yaptığımız keşifler dünyayı derinden değiştirdi. Fosil yakıtları nasıl verimli hale getireceğimizi bulmamızla Sanayi Devrimi’ni, elektrikle modern zamanın sırtını yasladığı dev bir kaynağı, dönüştürülebilir enerji kaynakları ile sürdürülebilirliği nasıl yakalayacağımızla ilgili cevapları bulduk.
“Our World in Data” sitesinin hazırladığı aşağıdaki grafiğe bakarsak eğer elektrik enerjisine erişim yıldan yıla daha fazla artıyor. Mavi olan kısım elektriğe erişebilen insan nüfusunu, yeşil olan ise erişimi olmayan insan nüfusunu temsil ediyor [2].
Hal böyle iken elektrik enerjisini, telefonumuzdan ürettiğimiz arabalara kadar kullandığımızı, kısacası elektriğin hayatımızı şarj ettiğini görmemek zor değil. Peki elektrik enerjisini bu kadar çok taşınabilir kullanmamızı sağlayan şey ne? Bu sorunun cevabı elbette ki ürettiğimiz ve geliştirmekte olduğumuz pil teknolojileri.
Avrupa Komisyonu’nun 2018'de hazırladığı raporda belirtildiği gibi piller; enerji sektöründe yenilenebilir enerjiye daha fazla olanak vermesiyle çevre kirliliğine karşı bize çözümlerle geldi [3]. Pil teknolojisini araştırdıkça fark ettiğimiz şey ürettiğimiz pillerin ayrıca sürdürülebilir olması. Pillerde sürdürülebilirliği yeniden şarj etme özelliği ile sağlıyoruz. Nobel Kimya Komitesi üyesi Profesör Olof Ramström’e göre lityum iyon pilleri enerji depolamasını dönüştürdü ve mobil bir devrim yarattı. Bunun başlıca sebepleri yüksek potansiyeli, yüksek enerji yoğunluğu ve kapasitesi olması. Fakat pil üretimi zaten oldukça zor iken özellikle lityum temelli pillerde iş daha da zorlaşıyor [4].
Modern Pillerin Çalışma Prensibi ve Tarihsel Gelişimi
Bir pilin temel çalışma amacı depoladığı kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmektir. Kimyasal enerji pilin içerisinde gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar sonucu açığa çıkar. Bu reaksiyonlar elektrokimyasal reaksiyonlar adını alır. İlk olarak İtalyan anatomi profesörü Galvani, ölü bir kurbağanın bacaklarına metal bir plaka ile dokunduğunda hareket gözlemledi ve bunun sebebinin canlıların hareket etmek için ürettiği elektrik olduğunu düşündü [5].
Aşağıdaki görselde de görüldüğü gibi anot ve katot olmak üzere basit bir pil düzeneği iki tane elektrotta sahip [4][5].
Görselin isminden de anlaşılacağı üzere Voltaik bir pilin elektrotları çinko ve gümüşten oluşur. Çinko anot, gümüş katot görevlerini üstlenir. İletken bir bağlayıcı kablo veya tel ile iki kutup birleştirilince kapalı bir devre elde edilir ve elektron akışı sağlanır. Volta türü bir pilde elektronlar anottan katotta doğru hareket eder. Volta birçok elektrotu birleştirerek ve sulu bir elektrolite batırarak deneyinde sonuç almıştır [5]. Birincil pil kategorisinde değerlendirilir ve şarj edilemez [4].
Peki elektrolit ne demek ve bu elektronlar nereden geldiler? Başta da belirttiğim gibi bu üretim elektrokimyasal reaksiyonların sonucu. Bu mekanizmayı daha iyi anlamak için birkaç kavram bilgisine daha sahip olmalıyız. Basit bir elektrokimyasal pili inceleyerek devam edelim.
Yukarıdaki görselde görüldüğü gibi elektrotlar birbirlerinden kısa devre durumunu engellemek için fiziksel olarak elektrolit ile ayrılırlar. [4] Anot için seçilen malzemeler elektrolite elektron vermeye yatkındır. Anotta gerçekleşen bu işleme oksidasyon reaksiyonu denir. Devrenin bütünlüğünü sağlamak için katot için seçilen maddeler elektron almaya yatkındır. Katotta gerçekleşen işleme ise indirgenme reaksiyonu denir. Oksidasyon ve indirgenme reaksiyonları eşzamanlı gerçekleşir. Bu sayede devrede elektron akışı anottan katotta doğru sağlanır. Bir pilin gücü anot ve katotta kullanılan maddelerin tepkimeyi gerçekleştirme eğilimiyle doğru orantılıdır [4][5].
Hali hazırdaki marş akülerinde kullandığımız kurşun asit pilleri ise Wilhelm J. Sinsteden (1854) ve Gaston Planté (1859–1860) tarafından geliştirildi[4]. Bu batarya türleri birçok yeni batarya türünün gelişmesine rağmen hala araçların 12V akü sistemlerinde ve birçok temel uygulamada düşük maliyetleri ve güvenilir yapıları ile kullanılmaya devam etmektedir. Bataryalar tekrardan şarj edilme özelliğine göre primer ve sekonder olarak ikiye ayrılırlar. Kurşun asit bataryalar tekrardan şarj edilebilir özelliği sayesinde sekonder pil kategorisine girerler [6].
Yukarıdaki görselde görüldüğü gibi hücrenin anodu kurşundan, katot kısmı ise bir metal levha üzerine oturtulmuş kurşun dioksitten yapılmıştır. %35 sülfürik asit, %65 su olan elektrolit içerisine yerleştirilirler. Elektrolitin içerisinde sülfürik asit serbest hidrojen ve sülfat iyonlarına ayrışır [7]. Ortaya çıkan iyonlar yük farkı oluşturur. Anotta oksidasyon gerçekleşerek elektron, proton ve kurşun sülfat (PbSO4) üretilir. Katotta ise indirgenme reaksiyonu gerçekleşir ve kurşun oksit katotta kurşun sülfata indirgenir [4]. Bu süreçte hücreler arası potansiyel yaklaşık 2 Volt’tur [7]. Tipik bir araba aküsü 12 Volt kapasiteye sahip, yani 6 tane seri bağlanmış hücreden bir araba aküsü oluşur [4] .
Pil alanında dünyadaki bir başka kilometre taşı Waldemar Jungner tarafından 1899' da yapılan ilk nikel demir (Ni-Fe) ve nikel kadmiyum (Ni-Cd) pilleri. Bu prototip 1989'da halka ulaşan nikel metal hibrit (Ni — MH) pillerinin öncüsü oldu [4].
Öncül Pil Teknolojilerinde Lityumun Önemi
20. yüzyılın ortalarına doğru daha az enerji yoğunluğu ve kapasitesi sorunu sebebiyle daha farklı pil elementleri aranmaya başlandı. Lityum en hafif metaldir ve en az yoğun olan katıdır. Elementin yüksek elektrokimyasal potansiyeli vardır ve bu yüksek enerji yoğunlukla, şarj edilebilir batarya teknolojileri için onu gözde element haline getirdi [8]. Fakat oldukça reaktif bir metal olan bu element dış fiziksel etkilerden korunarak kullanılmalı. Lityumu istenilen projelerde kullanmak için su ve hava bileşenlerinin etkisi azaltılıp susuz elektrolitler üretilmeliydi. İlk başta bu etkileri azaltmak üzerine çalışmalar yapıldı [4].
Susuz elektrolitler 1958'de William S. Harris’in Charles C. Tobias tarafından denetlenen doktora tezinde açıklandı. Harris, aşağıdaki görselde kimyasal yapısını gördüğünüz propilen karbonatın istenilen elektrokimyasal reaksiyonlar için uygun bir aday olduğunu açıkladı. Örneğin yaptığı deneylerde propilen karbonat ve lityum halojenürlerini kombine etti. Bu keşifle karbonatları elektrolitler için bugün hala kullanıyoruz [4].
Aynı yıllarda yapılan tek çalışma Harris’in değildi. Y.Yao ve J.T.Kummer katılardaki iyon iletkenliğini üzerine çalışmalar yaptı ve sonucunda sodyum iyonlarının katılarda ve tuz eriyiklerinde aynı hızda hareket ettiğine ulaştılar. John Newman, elektrokimyasal hücrelerde iyon transferi üzerine çalıştı. 1972'de İtalya’da pil üzerine çalışan önemli bilim insanları ile düzenlenen konferansta lityumun pil teknolojileri için nasıl işleneceği ile ilgili çözümler tartışıldı [4].
Lityumun araştırılma tarihine baktığımızda özellikle 1960 ve 1970 yıllarından bu yana enerji depolama sistemleri için önemli bir aktör olduğunu söyleyebiliriz. Bu nedenle lityum iyon pilleri hakkında yapılacak çalışmalar önemini günden güne artırarak devam ediyor. Ekoloji ve insan dengesi ile ilgili gitgide çoğalan sorunlarımızı göz önünde bulundurursak Nobel Kimya 2019 ödüllerinin lityum iyon pillerini inceleyen 3 bilim insanına verilmesi şaşırtıcı değil.
Yazı serimin ilk bölümünde M. Stanley Whittingham, John B. Goodenough, Akira Yoshino’nun çalışmalarını daha iyi analiz edebilmemiz için pillerin kavramsal, tarihsel ve mekanik işleyişi ile ilgili bir temel oluşturmaya çalıştım. Bir sonraki bölümde M. Stanley Whittingham tarafından önerilen ve katot olarak LixTiS2 kullanan lityum bazlı pil çalışmasını anlatacağım.
Referanslar
[1]Nobel prize in Chemistry 2019 rewards the development of lithium-ion batteries. (2019, October 10). https://www.eba250.com/nobel-prize-in-chemistry-2019-rewards-the-development-of-lithium-ion-batteries/
[2]Hannah Ritchie.(2019).Access to Energy. OurWorldInData.org. https://ourworldindata.org/energy-access
[3]Science for Environment Policy .(2018). Towards the battery of the future. Future Brief 20. Brief produced for the European Commission DG Environment by the Science Communication Unit, UWE, Bristol. http://ec.europa.eu/science-environment-policy
[4]Ramström, O. (2019, October 9). Scientific Background: Lithium-ion batteries [PDF]. Stockholm: The Royal Swedish Academy of Sciences. https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/advanced-chemistryprize2019.pdf
[5]Bhatt, A., Forsyth, M., Withers, R., & Wang, G. (2018, March 5). How a battery works. Australian Academy of Science. https://www.science.org.au/curious/technology-future/batteries
[6]Concordia University. (2016, November). Lead Acid Batteries. https://www.concordia.ca/content/dam/concordia/services/safety/docs/EHS-DOC-146_LeadAcidBatteries.pdf
[7]Huang, Pei-Hsing & Kuo, Jenn-Kun & Huang, Chun-Yen. (2015). A new application of the UltraBattery to hybrid fuel cell vehicles. International Journal of Energy Research. 40. n/a-n/a. 10.1002/er.3426.
[8]Goonan, T.G.(2012). Lithium use in batteries: U.S. Geological Survey Circular. 1371, 14 p. http://pubs.usgs.gov/circ/1371/.
[9]National Center for Biotechnology Information (2021). PubChem Compound Summary for CID 7924, Propylene carbonate. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Propylene-carbonate.
