Günümüzde lityum-iyon pillerin en büyük sorunlarından biri, çevreye zarar veren ve tedarik riski taşıyan kobalt ve nikel gibi nadir metallere olan bağımlılıktır. Bu nedenle, doğada bol bulunan, ekonomik ve çevre dostu bir organik bileşik olan ve kot pantolon üretiminden tanınan indigo boyasının enerji depolama malzemesi olarak kullanılması önemli avantajlar sunmaktadır.
Enerji depolama sistemlerinde sürdürülebilirlik genellikle yeşil çözümlerle ilişkilendirilse de, geleceğin bataryaları mavi renkle temsil edilebilir. Geleneksel lityum-iyon pillerde kullanılan kobalt ve nikel gibi metallerin yerine alternatif arayan araştırmacılar, binlerce yıldır bilinen indigo molekülünü sülfür bazlı katı hâl bataryalarda enerji depolama amacıyla değerlendirmiştir. İndigo, aynı zamanda kimyasal uyumsuzluk sorununu azaltan çift işlevli bir katalizör görevi üstlenerek, organik pillerin temel problemlerinden biri olan kararsızlık sorununa çözüm sunmakta ve daha çevreci, güvenli enerji sistemleri için umut vadetmektedir.1
Yapılan çalışmada indigo molekülünün batarya hücresinin içinde çift işlevli rolü büyük önem taşımaktadır. Organik malzemeler ile inorganik katı elektrolitler arasında genellikle performans düşürücü olumsuzluklar yaşanır. Bu soruna karşın araştırmacılar, indigonun sülfür bazlı katı elektrolit (LPSC) ile girdiği kontrollü reaksiyonun aslında sistemi iyileştirdiğini keşfetmiştir. Normal şartlarda iç küre redoks yolu LPSC direkt elektrokimyasal tepkimeye girmesiyle gerçekleşir. Bu tepkime hem yavaştır hem de batarya içinde istenmeyen yüksek dirence yol açar. Diğer yandan dış küre redoks yolu ile indigo molekülleri bir katalizör görevi görerek, elektroliti kimyasal olarak oksitler. İndigo sayesinde bu tepkime hem daha hızlı hem de direnç seviyesi olarak daha düşük hale gelir. Bu süreçte indigo, sadece enerji depolayan aktif bir madde gibi davranmaz aynı zamanda katı bir moleküler katalizör görevi üstlenerek sülfür anyonlarının (S2-) oksidasyonunu kimyasal olarak hızlandırır.
Sistemin verimliliği açısından bir diğer önemli faktör ise elektrotun kompozit yapısıdır. Araştırmacılar, indigo ve katı elektrolit arasındaki sinerjinin, kullanılan karbon katkı maddesinin türüne bağlı olduğunu ortaya koymuşlardır. Genel kanı karbon yüzeyi ne kadar geniş olursa o kadar iyidir şeklindedir. Ancak yapılan çalışmalar neticesinde bu durumun pek de öyle olmadığı görülmüştür. Geniş yüzeyli karbonlar (nanotüpler) indigo moleküllerini baskılamış ve tepkime verimini önemli ölçüde azaltmıştır. Nanotüplere kıyasla süper P karbonları indigo molekülleriyle mükemmele yakın bir uyumda çalışarak, indigonun teorik kapasitesi olan 204 mAh.g⁻¹ değerini 583 mAh.g⁻¹ tersinir kapasiteye çıkarmıştır. Bu hassas mikroyapı mühendisliği sayesinde, batarya -10ºC’deki sıcaklıklarda bile kapasitesini büyük oranda korumayı başarmıştır.
Bu teknolojiyi önemli kılan geçmişte imkansız görünen bir kimyasal uyumu başarmış olmasıdır. Organik malzemelerin LPSC’leriyle yarattığı bu yeni bifonksiyonel sinerji, batarya güvenliğini tehdit eden yanıcı sıvı elektrolit ihtiyacını ortadan kaldırarak tamamen katı ve güvenilir bir yapı sunmaktadır. Performans olarak bu sistem, elektrikli araç sahiplerinin en büyük korkusu olan kış aylarındaki menzil kaybına somut bir çözüm getirmektedir. Geliştirilen bataryalar eksi 10ºC dahi %92 gibi endüstri standartlarının çok üzerinde bir kapasite korunumu sergileyerek sert kışlara uyum sağlamaktadır. Laboratuvar ortamında şimdiden 3,84 mAh.cm⁻² gibi yüksek bir alan kapasitesine ulaşan bu teknoloji, gelecekte bu değeri 10 mAh.cm⁻² seviyelerinin üzerine çıkarmayı hedeflemektedir. Sadece mobil cihazlarda değil, şebeke ölçekli büyük enerji depolama sistemlerinde de dışa bağımlılığı azaltacak ticari bir alternatif olmaya hazırlanıyor.
Bu çalışma, organik malzemeler ile sülfürlü katı elektrolitlerin uyumsuz olduğu yönündeki genel kanıyı değiştirerek indigonun katalizör etkisiyle batarya performansını artırdığını kanıtlamıştır. Laboratuvar başarısını endüstriyel boyuta taşımayı hedefleyen araştırmacılar, şimdi bu teknolojiyi optimize ederek ticari standartlara ulaştırmak için çalışmalarını sürdürüyor.2
Kaynaklar