Kendini uyarlayabilen elektrolit ile batarya teknolojisinde devrim

Elektrik kullanımının gün geçtikçe hayatımıza daha çok nüfuz etmesi kullandığımız cihazlara olan bağlılığımızı artırmıştır. Cihazların şarjının bitmesinden sonra hızlı bir şekilde şarj olamaması da, günlük yaşantımızı etkileyecek seviyededir. Özellikle elektrikli araçlarda kullanılan yüksek enerjili bataryaların yavaş şarj olması, büyük bir sorun teşkil etmektedir.

Geleneksel elektrolitler; sabit elektrokimyasal karaklılık penceresine (ESW) sahiptir, elektroliti tek fazlı homojen yapıdadır ve uygulanabilirlik açısından barındırdığı bazı türleri sınırlıdır. Hızlı şarj durumunda akım yoğunluğu ile birlikte artan aşırı potansiyel, sabit ESW’yi aşar. Bu durumda, batarya ömrünü ve verimliliğini olumsuz etkileyen yan reaksiyonlar meydana gelir. Bu durumların ortadan kaldırılması ve batarya performansının korunması için çözüm olarak, aşırı potansiyeli düşürmek ve çift fazlı elektrolit kullanmak düşünülmüştür ancak yaşanan performans düşüşü ve yüksek maliyetten dolayı pek tercih edilmemiştir.¹

Xinyu Ma ve ekibi, lityum bataryalar için iyonik sıvı (IL) ve poliiyonik sıvı (PIL) tabanlı çeşitli elektrolit türleri üzerinde deneyler yaparak oluşan farklılıkları gözlemlemiştir. Yaptıkları çalışmayla temel olarak; bataryalarda IL ve PIL kullanımının batarya içerisinde oluşan istenmeyen reaksiyonları engellediğini, ESW’yi artırdığını ve bu sayede batarya performansını iyileştirdiğini göstermiştir.² Batarya iyileştirilmesinde takip edilen bu yol, Chang-Xin Zhao ve ekibi tarafından daha ileriye taşınmıştır. Geliştirdikleri kendini uyarlayabilen elektrolit sayesinde, geleneksel bataryalarda yaşanan ESW aşımı sorununun giderilmesi amaçlanmıştır. Bu elektrolitin diğer elektrolitlerden farkı, bulut noktasında tek fazlı olup şarj esnasında faz değişimi yaşayarak iki faza ayrılmasıdır.

Kendini uyarlayabilen elektrolit; içerisinde tuz, oksidasyon dirençli çözücü ve indirgeme dirençli çözücü barındıran bir karışımdan meydana gelmektedir. Bu bileşenler, birbiri içerisinde karışabilir ve mevcut karışımın faz değişimine uğradığı eşik noktası olarak ifade edilen bulut noktasında tek fazlı durabilir özelliktedir. Şarj esnasında oluşan tuz konsantrasyon gradyanı, bulut noktasında bulunan çözücülerin kararlılığını kaybetmesine sebep olarak çözücü-çıkışı (solvent-out) etkisinin gerçekleşmesini sağlar ve faz ayrışmasını tetikler. Ayrışma anında oksidasyon dirençli çözücü pozitif elektrotun yanında, indirgeme dirençli çözücü ise negatif elektrotun yanında yoğunlaşarak ESW’yi eş zamanlı olarak genişletir. Solvent-out etkisi, bu olayın gerçekleşmesinde kritik rol oynadığı için çözücülerin doğru şekilde seçilmesi gerekmektedir. Seçilen çözücüler, birbiri içerisinde karışabilir olmalıdır ve tuz konsantrasyonu arttığında iki fazda olmalarını sağlayacak bir tuz afinitesine sahip olmalıdır (Şekil 1).

Geliştirilen elektrolit tasarımının, uygulamada doğruluğunun ispatlanması için birkaç deney yapılmıştır. Birden fazla anyon ve çözücü içerisinden uygun olanın bulunması için yapılan bir deneyde sulu çinko-metal bataryalar için asetonitrilin (ACN) ve sülfatın (SO₄^2-), susuz lityum-metal bataryalar için floroetilen karbonatın (FEC) ve anisolün lityum tuzunun (LiFSI) solvent-out etkisini tetiklediği gözlemlenmiştir. Deneyin devamında faz diyagramları ve MD simülasyonları sayesinde bu etkinin gerçekliği doğrulanmıştır. IR-780 boyası ve spektroskopik analizler sayesinde iki faz oluşumu nicel olarak gözlemlenmiştir. Yapılan bazı testlerle de hidrojen evrim reaksiyonu (HER) gibi istenmeyen yan reaksiyonların bastırıldığı ve HER etkisiyle oluşan çinko hidroksi sülfat hidrat birikiminin gerçekleşmediği gözlemlenmiştir. Ayrıca hem sulu çinko-metal bataryalarda hem de susuz lityum-metal bataryalarda Coulombik verimlilik ve çevrim performansı ölçümünde üstün bir elektrokimyasal performans gözlemlenerek yeni elektrolit tasarımının çok yönlülüğü ve etkinliği ispatlanmıştır.^1,3

Kendini uyarlayabilen elektrolit tasarımı, batarya teknolojisine yeni bir yaklaşım kazandırarak batarya üretimindeki sorunlara yeni bir çözüm sunmuştur. Çeşitli deneyler ve testler farklı batarya türleriyle uyumluluğunu ve geleneksel bataryalara göre yüksek performans, uzun batarya ömrü ve yüksek batarya verimliliği gösterdiğini ortaya koymuştur. Bu sayede, elektrikli araçlar başta olmak üzere taşınabilir cihazlarda ve yenilenebilir enerji depolama sistemlerinde uzun ömürlü ve güvenilir bataryaların kullanılmasıyla sektörün daha da ileriye taşınması beklenmektedir.

Kaynaklar

1. Zhao, C. X., Li, Z., Chen, B., Chen, F., & Wang, C. (2025). Self-adaptive electrolytes for fast-charging batteries. Nature Energy, 1-10.
2. Ma, X., Yu, J., Hu, Y., Texter, J., & Yan, F. (2023). Ionic liquid/poly (ionic liquid)-based electrolytes for lithium batteries. Industrial Chemistry & Materials, 1(1), 39-59.
3. https://techxplore.com/news/2025-08-electrolytes-stability-fast-high-energy.html