Lityum-iyon piller bugün her yerde bulunur, ancak bu piyasadaki yaygınlığı tüm uygulama alanları için en iyi çözüm oldukları anlamına gelmez. Viyana Teknik Üniversitesi, bazı önemli avantajları olan 300-350°C’de çalışabilen bir katıhal oksijen-iyon pili geliştirmeyi başardı. Güç yoğunluğu 12 W.cm−3 (350 °C) ve enerji yoğunluğu 140 m.Wh.cm−3 olarak belirlenmiştir. Lityum-iyon pil kadar yüksek enerji yoğunluklarına izin vermese de (Şekil 1), depolama kapasitesi zamanla geri dönülmez bir şekilde azalmaz. Yeniden üretilebilir ve böylece son derece uzun bir hizmet ömrü sağlayabilir.
Ayrıca oksijen-iyon piller, nadir elementler olmadan üretilebilir ve yanmaz malzemelerden yapılır. Oksijen-iyon (O-ion) pil, örneğin yenilenebilir kaynaklardan elektrik enerjisi depolamak gibi büyük enerji depolama sistemleri için mükemmel bir çözüm olabilir.
Yeni bir çözüm olarak seramik malzemeler
Viyana Teknik Üniversitesi’nde Kimyasal Teknolojiler ve Analitik Enstitüsü’nden Alexander Schmid, “Uzun bir süredir yakıt hücreleri için kullanılabilecek seramik malzemelerle ilgili çok fazla deneyime sahibiz” diyor. “Bu bize, bu tür malzemelerin pil yapmak için de uygun olup olmadığını araştırma fikrini verdi.”
Ekibin üzerinde çalıştığı seramik malzemeler, iki kat negatif yüklü oksijen iyonlarını emebilir ve salabilir. Bir elektrik voltajı uygulandığında, oksijen iyonları bir seramik malzemeden diğerine geçer ve ardından tekrar geri taşınmaları sağlanarak elektrik akımı üretilir.
Prof. Jürgen Fleig, “Temel prensip aslında lityum iyon pile çok benziyor” diyor. “Ancak malzemelerimizin bazı önemli avantajları var.” Seramikler yanıcı değildir; bu nedenle, lityum iyon pillerle defalarca meydana gelen yangın kazaları neredeyse tamamen ortadan kalkar. Ayrıca, pahalı olan veya yalnızca çevreye zararlı bir şekilde çıkarılabilen nadir elementlere de gerek yoktur.
Tobias Huber, “Bu açıdan seramik malzemelerin kullanılması çok iyi adapte edilebildiği için büyük bir avantaj” diyor. “Elde edilmesi zor olan belirli öğeleri nispeten kolay bir şekilde başkalarıyla değiştirebilirsiniz.” Pilin prototipinde hala tam olarak nadir olmayan ancak tamamen yaygın olmayan bir element olan lantan kullanılıyor. Ancak lantan bile daha ucuz bir şeyle değiştirilecek ve bununla ilgili araştırmalar şimdiden yapılıyor. Birçok pilde kullanılan kobalt veya nikel hiç kullanılmaz.
Yüksek kullanım ömrü
Ancak yeni pil teknolojisinin belki de en önemli avantajı potansiyel uzun ömürlülüğüdür: Alexander Schmid, “Pek çok pilde, bir noktada şarj taşıyıcıların artık hareket edememesi sorununu yaşıyorsunuz” diyor. “O zaman artık elektrik üretmek için kullanılamazlar, pilin kapasitesi düşer. Birçok şarj döngüsünden sonra bu ciddi bir sorun haline gelebilir.”
Bununla birlikte, oksijen-iyon pil sorunsuz bir şekilde yeniden üretilebilir: Yan reaksiyonlar nedeniyle oksijen kaybolursa, bu kayıp ortam havasındaki oksijen ile kolayca telafi edilebilir.
Yeni pil konsepti, akıllı telefonlar veya elektrikli arabalar için tasarlanmamıştır, çünkü oksijen iyon pil, lityum iyon pillerden alışık olunan enerji yoğunluğunun yalnızca yaklaşık üçte birine ulaşır ve 200 ile 400 °C arasındaki sıcaklıklarda çalışır. Bununla birlikte, teknoloji, enerji depolamak için son derece ilginçtir2.
Alexander Schmid, “Örneğin, güneş veya rüzgar enerjisini geçici olarak depolamak için büyük bir enerji depolama birimine ihtiyacınız varsa, oksijen-iyon pil mükemmel bir çözüm olabilir” diyor. “Enerji depolama modülleriyle dolu bir bina inşa ederseniz, daha düşük enerji yoğunluğu ve artan çalışma sıcaklığı belirleyici bir rol oynamaz. Ancak pilimizin güçlü yönleri burada özellikle önemli olacaktır: uzun hizmet ömrü, büyük üretim olasılığı nadir elementler içermeyen bu malzemelerin miktarları ve bu pillerin yangın tehlikesi olmaması.”
Kaynaklar
- Schmid, A., Krammer, M., Fleig, J., Rechargeable Oxide Ion Batteries Based on Mixed Conducting Oxide Electrodes. Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2203789. https://doi.org/10.1002/aenm.202203789
- https://techxplore.com/news/2023-03-oxygen-ion-battery.html