Naylonun lityum iyon piller üzerindeki etkisi

Daha rahat bir yaşam sürmek için enerji kaynağı arayışı, insanlığın başlangıcından beri süregelmektedir. Bu doğrultuda fosil yakıtlar, nükleer enerji ve güneş enerjisi gibi enerji kaynakları kullanılmıştır. Fakat ilerleyen zamanlarda insanlığın ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte, daha kullanışlı, pratik, çevre kirliliği yaratmayan enerji kaynaklarına (güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, jeotermal enerji, hidroelektrik enerji, biyokütle enerjisi, dalga enerjisi, gelgit enerjisi) ve güvenle depolanabilen enerji kaynaklarına (güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, hidroelektrik enerji, jeotermal enerji, biyokütle enerjisi) yönelim başladı.¹ 

Artan enerji ihtiyacı için alternatif enerji kaynaklarına yönelim başladı. Alternatif enerji kaynağı, fosil yakıtların yerine kullanılabilen, genellikle çevreye daha az zarar veren ve sürdürülebilir olan enerji türleridir. Alternatif bir enerji kaynağı olarak birçok avantaja sahip olan lityum iyon pil üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. Yakıt hücresi teknolojisi ve nikel metal hidrit piller, geleneksel kurşun asit ve nikel kadmiyum piller yerini yavaş yavaş lityum iyon pillere bırakan güç kaynakları olarak kabul edilmektedir. Lityum piller, yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmalarına rağmen diğer pillerle kıyaslandığında daha hafiftir. Bu özellikleri sayesinde, hayatımızın büyük bir parçası olan akıllı telefonlarda ve kompakt elektronik cihazlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

Lityum piller, lityum iyon ve lityum metal piller olmak üzere iki türe ayrılır. Genelde ticari olarak kullanılan lityum iyon piller, dizüstü bilgisayarlar, akıllı telefonlar ve ev aletlerinde kullanılmaktadır. Lityum metal piller ise daha yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir ve elektronik eşyalar, ulaşım gibi geniş uygulama alanına sahiptir. Ancak, lityum metal pillerden tam verim alınmasını engelleyen iki büyük sorun vardır. Bunlar güvenlik ve uzun ömür sorunlarıdır. Üretim ve işletim süreçlerinde, korozif ve tehlikeli maddeler kullanılması performans düşüklüğü ve güvenlik sorunlarına yol açan istenmeyen reaksiyonların oluşmasına neden olmaktadır.²

Bu çalışmada, naylon (PA) gibi makromoleküllerin lityum iyon içeren elektrolitlerde çözünebildiği ve katkı maddesi olarak işlev görebileceği gösterilmiştir. PA’nın çözünmesi; güçlü Lewis asiditesi taşıyan katyonlar, zayıf çözücü özelliğe sahip çözücüler, küçük anyonlar ve yüksek tuz konsantrasyonları sayesinde gerçekleşmektedir. Katyonların karbonil gruplarıyla koordinasyonu ve anyonlarla amido grupları arasında oluşan hidrojen bağları, PA’nın kristal yapısını bozarak çözünürlüğünü artırmaktadır.

Bu sorunu en aza indirmek için araştırmacılar, giysilerde yaygın olarak kullanılan ve sentetik bir madde olan naylonun üzerinde çalışarak, lityum metal piller için katkı maddesi olarak işlev görebileceğine dair sonuçlara ulaştılar. Hafif, esnek ve aşınmaya karşı dirençli yapıya sahip olan naylonun, suya ve birçok kimyasal maddeye karşı da dayanıklı olduğu bilinmektedir. Ancak seyreltik lityum çözeltisinde çözünebildiği keşfedilen polimer, lityum metal pillerin daha verimli ve uzun ömürlü hale gelmesini sağlarken, üretim ve işletim süreçlerinde istenilmeyen yan reaksiyonları da önemli ölçüde azaltmıştır.

Bu çalışma, naylon ve lityum arasındaki etkileşimlerin kimyasal yapısını, temel moleküler bağları da içerecek şekilde ayrıntılı olarak incelemiştir. Araştırmalar, naylonun ticari bir kumaş olarak bilinen kullanımının dışında, bilinenden çok daha seyreltik çözücülerde çözünebildiğini göstermektedir. Bu keşif, naylonun lityum metal pillerde katkı maddesi olarak kullanılabileceğini aynı zamanda pillerin performansını önemli ölçüde arttırarak iyi bir seçenek olduğunu bize göstermektedir. Naylonun çözünürlüğü sayesinde daha kararlı bir elektrokimyasal ortam oluşturulabilirken, pil ömrünü de uzatarak enerji verimliliğini de önemli ölçüde arttırmaktadır. Böylece, naylon bazlı katkı maddelerinin, lityum metal pillerin güvenliği ve performansı üzerindeki olumlu etkileri gelecekteki enerji depolama teknolojilerinde önemli bir ilerleme sağlayabilir.³

Kaynaklar

1. Wakihara, M. (2001). Recent developments in lithium ion batteries. Materials Science and Engineering: R: Reports, 33(4), 109-134.
2. Zhao, Z., Melinte, G., Lei, Y., Guo, D., Hedhili, M. N., Shi, Z., … & Alshareef, H. N. (2025). New Dissolution Chemistry of Nylon Promises Reversible Li-Metal Batteries. ACS Energy Letters, 10, 1129-1138.
3. https://techxplore.com/news/2025-03-future-batteries-closet-scientists-nylon.html