Dünyanın geleceğine yön verecek yeni pil teknolojileri ve özellikleri

Yazar: İrem Öztekin - Sabancı Üniversitesi

Daha çevreci ve daha sürdürülebilir bir dünya yaratma düşüncesi günden güne yaygınlaşıyor. Bu nedenden dolayı da fosil yakıtların ve fosil yakıtlarla çalışan araçların kullanımının azaltılması hedefleniyor. Artık hayatımıza elektrikli arabalar, hatta elektrikli uçaklar girmeye başladı bile. Bu elektrikli araçların çalışabilmesi ve gelişebilmesi için de, piller ve üzerlerinde yapılan çalışmalar önemli yer tutuyor.

Tarihten beri gelişimine devam eden ve günümüzde karşımıza lityum-iyon şeklinde çıkan piller, dünyanın geleceğine yön verecek yeni teknolojilerle karşımıza çıkacak.

Closeup of battery

Pillerin Tarihçesi

Piller, insan yapımı en önemli icatlardan biridir. Kimyasal tepkimelerden elektrik üretirler. Pillerde iki adet kutup bulunur. Bu kutuplardan artı (+) uç katot, eksi (-) uç ise anot olarak adlandırılır. Batarya ise cep telefonu gibi cihazlarda bulunan şarjlı pillerin adıdır.

Birçok cihazın güç kaynağı olan piller, geçmişte, sahip olunan tek elektrik kaynağıydı. Günümüzde ise genellikle taşınabilir güç kaynağı olarak kullanıyor. Günlük hayatımızda kullandığımız cep telefonu, taşınabilir bilgisayar, tablet gibi birçok teknolojik cihaz da piller aracılığıyla çalışıyor. Şu an bu yazıyı okuduğunuz cihaz da yüksek ihtimalle pille çalışan bir cihaz.

Pillerin tarihinin geçmiş yıllara dayandığı tahmin ediliyor. M.Ö 250 yılında, Persler’in metallere gümüş kaplama yapmak amacıyla, “Bağdat Pili” olarak adlandırılan pil benzeri yapıları kullandıkları düşünülüyor.

Eski Çağ Teknolojileri:Bağdatta Bulunan Pil

Bağdat Pili

Kesin olarak bilinen pillerden ilki ise Voltaik Pil. 1800’lü yıllarda İtalyan fizikçi Volta tarafından yapılan gözlem ve keşifler, günümüzde kullanılan pillerin temelini oluşturmuş. Volta, bazı sıvıların metaller ile kimyasal tepkime gerçekleştirip, elektrik ürettiğini fark etmiş. Bunun sonucunda da “Voltaik Pil” olarak isimlendirilen ilk pili üretmiş. Bilim dünyasına yaptığı bu katkılardan dolayı da, elektrik terimlerinden gerilim birimine Volt adı verilmiş.

Alessandro Volta | Biography, Facts, & Invention | Britannica

Alessandro Volta (1745–1827)

Pil tarihinde dikkat çeken bir diğer gelişme ise, İngiliz kimyacı John Frederick Daniell tarafından 1836 yılında geliştirilen “Daniell Pili”. Daniell Pili daha uzun ve güvenilir akım sağladığından, volta pilinin yerine kullanılmaya başlanmış.

1900’lü yıllardan itibaren ise, lityum ve lityum-iyon piller geliştirilmeye başlanmış. 1991 yılında ilk kez Sony tarafından piyasaya adım atan bu piller, aslında dünyayı değiştiren icatlardan biri olarak nitelendiriliyor. Çünkü bu piller sayesinde, günümüzde kullanılmaya başlanan fosil yakıtsız, elektrikle çalışan cihazların temeli atılmış.

2019 yılı Nobel Kimya Ödülü de lityum-iyon pillere yönelik yapılan çalışmalara verildi. Bu alandaki öncü çalışmalardan dolayı John Goodenough, Stanley Whittingham ve Akira Yoshino, 2019 Nobel Kimya Ödülü’nün sahibi oldu. Bu ödüle layık görülen John Goodenough ise Nobel ödülü kazanan en yaşlı bilim insanı ünvanına sahip kişi olarak tarihe geçti.

John Goodenough, Stanley Whittingham, Akira Yoshino

Günümüze geldiğimizde en sık kullanılan piller işte bu lityum-iyon piller. Özellikle akıllı telefonlarda (örneğin iPhone) ve birçok elektronik cihazda lityum-iyon piller kullanılıyor. Şarj edilebilir olma özelliğine sahip bu piller, diğer pillere kıyasla daha hafif, daha küçük ve taşınabiliyor.

Ancak şarj edilebilir piller yaşlandıkça, performansları azalıyor. Hatta daha henüz kullanılmaya başlanmamış bile olsalar, lityum-iyon pille çalışan cihazların kullanım ömürleri hemen azalmaya başlıyor. Bundan dolayı da cihazların şarjları kısa sürede bitebiliyor.

Closeup of out of battery mobile phone charging and lying on white fabric background

Ek olarak, günümüzde akıllı telefonların sahip olduğu özellikler de artıyor. Bu özelliklerle birlikte de pil tüketimleri de artıyor. İşte bu gibi problemleri gidermeye yönelik alternatif yeni piller üzerinde çalışmalar devam ediyor.

Geleceğin Pilleri ve Özellikleri

Enerji alanında yapılan çalışmalar ve projelerle birlikte, piller üzerinde yapılan çalışmalar da günden güne hız kazanıyor. İnsanlık fosil yakıtların kullanımını azalttıkça, elektrikle çalışan araçların ihtiyaçlarını gidermek adına yeni pil teknolojilerin yaygınlaşması gerekiyor.

Happy kids at elementary school

Büyük şirketler ve araştırmacılar de şu an yaygın olan lityum-iyon pillerin ömrü, verimliliği ve kapasitesinin farkındalar. Bu nedenle, Samsung ve Tesla gibi büyük şirketler pil teknolojileri alanındaki yatırımlarını her geçen gün arttırıyor. Hatta Tesla’nın Nevada’da Gigafactory adında bir pil fabrikası bulunuyor. Henüz şirketler, yeni geliştirilen pillerle üretilecek ürünleri tüketicilerle buluşturmamış olsalar da, yeni pil teknolojilerinin yakın gelecekte yaygınlaşacağı düşünülüyor.

tesla gigafactory

Tesla Gigafactory, ABD, Nevada

Bu yeni pillerin özelliklerden en heyecan verici olanlar ise kapasiteleri ve kullanım süreleri ile ilgili olan artışlar. İşte bu amaçlara yönelik geliştirilen ve lityum-iyon pillere alternatif olan geleceğin pilleri:

1. Lityum-Sülfür Piller

Avusturalya’daki Monash Üniversitesi'nden bilim insanlarının geliştirdiği lityum-sülfür piller, 5 gün boyunca bir akıllı telefona güç verebiliyor ve lityum-iyon pillere kıyasla birçok avantaja sahip.

Lityum-iyon piller nikel ve kobalt gibi minerallere ihtiyaç duyuyor. Bu metallerin tedariği ise daha sınırlı ve maliyetli. Buna karşılık, lityum-sülfür piller için gerekli olan sülfür ise dünyadaki en bol 16. element ve her yıl yaklaşık 70 milyon ton üretiliyor.

Closeup of battery

2. Magnezyum Piller

Bilindik lityum-iyon piller ile karşılaştırıldığında, magnezyum pillerin enerji yoğunluğu daha fazla ve aynı boyuttaki lityum-iyon pillere göre neredeyse 5 kat daha fazla enerji depoluyor. Bu açıdan magnezyum oldukça umut verici bir madde olarak nitelendiriliyor gelecekte yaygınlaşabilecek olan piller arasında önemli adaylardan biri olarak gösteriliyor.

Hands holding various alkaline battery

3. Grafen Piller

Öğrencilerin en çok kullandığı kalemlerden olan kurşun kalemlerin uçları aslında kurşundan değil, grafit adı verilen bir maddeden yapılıyor. Grafit, altıgen düzende bir araya gelen karbon atomları sonucunda oluşuyor. Grafitin tek katmanlı haline ise grafen deniyor.

Grafenle üretilen piller, lityum-iyon pillere kıyasla daha yüksek oranda elektrik iletkenliğine sahip. Ayrıca bu piller sayesinde telefonların birkaç dakikada şarj edilebileceği, daha ince ve hafif tasarımlarının olabileceği düşünülüyor. Bu özelliklerinden dolayı Huawei, Samsung gibi birçok büyük firma, grafen piller konusunda önemli yatırımlar yapıyor.

4. Katı Hal Piller

Katı hal piller de düşük maliyetle yüksek performansa olanak tanıyan piller. Bu pillerin en dikkat çeken özellikleri ise güvenli olmaları. Yanma gibi risklerin bu piller sayesinde ortadan kalkacağı düşünülüyor. Çünkü katı hal piller sıvı elektrolit kullanmıyor. Onun yerine başka bir madde koyuyorlar ve bu sayede yanma, alev alma gibi riskler ortadan kalkıyor.

5. Nanotel Piller

Nanoteller, nanoteknoloji kullanılarak üretilen, nano ölçekli iletken teller. Nanotel pillerin ortaya çıkışı ise diğer pillerden biraz daha farklı. Bu piller aslında tesadüfen geliştirilmiş.

Amerika’daki Kaliforniya Üniversitesi’nde yer alan bilim insanları, araştırmaları sırasında farketmeden lityum yerine altın nanotel kullanmış ve bunun sonucunda oluşan pilin, normal pillere kıyasla 400 kat daha uzun ömürlü olduğunu ve 200.000 kez şarj edilebildiğini görmüşler.

Bu pillerin piyasaya sunulmamasının nedeni ise nano-tellerin yüksek maliyetli olmaları. Piyasaya sunmaya uygun hale gelmesi adına, nikel kullanılarak, aynı sonuçların alınması hedefleniyor. Eğer nanotel piller yaygınlaşırsa da, birçok cihazın kullanım ömrü oldukça uzayacak gibi duruyor.

IBM yeni pil teknolojisi geliştirdi - TechInside Techinside.Com

Gelecek yıllarda ortaya çıkacak ve dikkat çekici özelliklere sahip olacak cihazların arkasındaki gizli kahramanların, bu yeni piller olacağı düşünülüyor. Daha birçok yeni pilin de üretileceği bekleniyor.

Yeni nesil pillere özellikle elektrikli araçlarda daha sık rastlayacağız gibi duruyor. Örneğin, bu alanda önemli adım atan ülkelerden olan Hollanda, fosil yakıtlarla çalışan araçların satışını 2025 yılından itibaren sonlandırıyor. 2025 yılı sonrası ülkede sadece elektrikli araçlar satılabilecek ve geliştirilen yeni piller, bu araçlarda daha çok yaygınlaşacak.

Group of people with an electric car KAYNAKLAR: