Şafak Doğu ile Röportaj

♦ Gazi Üniversitesi, Kimya Mühendisliği, Lisans	Şafak Doğu
♦ Ortadoğu Teknik Üniversitesi, Doktora
♦ Yiğit Akü, Ekip Lideri ve Proje Yöneticisi
♦ Pomega, Ar-Ge Müdürü

S-1: Kimya Mühendisliği eğitiminizin batarya, enerji depolama ve dönüştürme alanına sizi nasıl yönlendirdiğini ve bu alanlarda uzmanlaşmanızı sağlayan unsurları bizimle paylaşabilir misiniz?

C-1: Kimya mühendisliği çok geniş bir alan aslında. Tarihi ve tarihsel gelişimi itibariyle çok bilinen yanlışlar var. Bunu başka alanlarda da görmek mümkün. Örneğin makine mühendisliği diyoruz ama mekanik mühendisliği çok daha doğru bir kavram. Dolayısıyla birçok bilgi ve konunun kavramsal olarak yanlış anlaşılması olayları farklı yerlere taşıyabilir. Kimya mühendisliği mekanik mühendisliğinden çıkmış bir alan aslında. Tarihte bunun bir kaç safhada oluştuğunu görüyoruz. Sanayi devriminden sonra buharlı makinelerin olması ve bazı teknik konularda ihtiyaca cevap veren mühendislerin aranmasıyla kimya bilen mekanik mühendisleri ortaya çıkıyor. Çünkü mekanik çok geniş bir kavram, daha önceden fizikçilerin de yaptığı bir iş. Dolayısıyla kimyasal reaksiyon, dönüşüm ve ısınında işin içine girdiği termodinamiğin de daha çok var olduğu bir teknoloji üretiliyor ki bazı koşullarda çok fazla mekanik yaklaşımların, hesapların yetmediği görülüyor. İlerleyen proses endüstrisinde daha derin cevapların aranması ve genişleyen alanlara yönelik kontrol ihtiyacına paralel kimya mühendisliği ortaya çıkıyor. Dolayısıyla kimya mühendisliği enerjinin dönüşümü, kullanılması ve malzemenin doğasının değiştirilmesi kökeninde bulunan elektrokimyasal olaylarla da sıkı sıkıya bağlantılıdır. Burada sadece elektrokimya söz konusu değil. Çünkü elektrokimya hem kimyacıların hem de fizikçilerin temelini oluşturduğu bir ortak alan olarak atomun yapısını anlamada ilk ortaya atılan teorilerle şekillenmiştir. Tarihe baktığımızda Luigi Galvani, Alessandro Volta, Humphry Davy, Michael Faraday gibi çoğu bilim insanı bir şekilde elektrokimya ve elektrokimyanın temeli olan elektrik akımının maddede oluşumu ile ilgilenmiş.

Batarya özelinde enerji depolamanın öne çıkması otomotiv sanayisi ile beraber gerçekleşiyor. Dolayısıyla bu alanda kimyasal üretim için gerekli hammadde dönüşümünü anlayacak, maliyetini hesaplayacak, ekipman ve proses tasarımlarını yapacak bilim dalına ihtiyaç olduğu için mühendisleşme oluşmuştur. Otomotiv bu alanda çok önemli bir endüstri. Tüm dünyada çok geniş yer alan birçok insanın hayatına giren ve kolay kolay maliyetlerin göz ardı edilemeyeceği bir sektör. Dolayısıyla mühendislik yaklaşımı da bu yüzden olmazsa olmaz bir disiplin.

Ben bu alanda eğitime başladığım için o zamanlarda çeşitli alanlara ayrılan dersleri aldım, alınmasının da faydalı olacağını düşünüyorum. Alınan eğitimi nerede kullanacağız, nerede kullanıyoruz, ne yapıyoruz diyen insanları çok fazla anlamıyorum. Çünkü bu biraz sizin elinizde. Özellikle kimya mühendisliği enerji depolama alanına çok yakın ve hükmeden bir dal. Hem termodinamik ilkelerini araştıran, hem de işin kimyasal reaksiyon dönüşümlerini çalışan bir disiplin olduğu için bunların hepsini özümseyip içerisinde barındırabilecek bir dal. Dolayısıyla bu tür enerji dönüşümü ve elektrokimya temelinde derslerle, uğraşlarla, projelerle çok daha önceden karşılaşmanız, doğanın öngörüsünü yakalamanız ve doğru muhakeme edebilmeniz açısından önemli. Öncelikle bazı projelerle başlayıp bitirme tezlerinde bunlara yönelik araştırmalarla ilerleyebilirsiniz. Ben de böyle yaptım zaten dolayısıyla bunlar bana çok katkı sağladı. Çok geniş bir yelpazede hocalarımla ilişkide bulundum. Onların projeleriyle uğraşmaya çalıştım. Temiz enerjiye çok fazla ilgi vardı ve elektrokimyasal yakıt hücrelerine döndük. Daha sonrasından yakıt hücreleri ve bataryalarla ilgili bütün endüstri ve araştırma faaliyetleri bir öbekleşmeye doğru gitti. Dolayısıyla bir taraftan yakın zamanda uğraşılan sorunlara yönlenmeniz, bir taraftan da endüstriyel gelişmeleri takip ederek ilerlemeniz bu noktaya gelmenizde fayda sağlıyor.

S-2: Elektromekanik Enerji Teknolojileri sektöründe 20 yılı aşkın bir deneyime sahipsiniz. Yiğit Akü’de Araştırma Mühendisi olarak başladığınız ilk görevinizden Pomega’da Ürün Geliştirme ve Araştırma Müdürü pozisyonunuza kadar olan kariyerinizi bize anlatabilir misiniz?

C-2: Aslında bu soruya az önce bir girizgâh yaptım. Bu birazcık hedef ve amaçlarınız doğrultusunda attığınız adımlarla gelişiyor. Esasen endüstri size bir olanak sağlıyor. O konuda hareket etmeniz gerekiyor fakat seçici olmalısınız. Seçici olursanız art arda tecrübelerinizi daha özel alanlara doğru yönlendirirseniz daha bulunmaz insan olmaya başlıyorsunuz. Böylelikle daha çok insan sizin tecrübenizden, bilginizden faydalanmaya çalışıyor. Benim için de bu biraz böyle oldu. Daha okul yıllarından içerisinde bulunmayı arzu ettiğim endüstri alanına ait alt disiplinler konusunda hocalarıma danışarak onların var olan projelerine kimler giriyor kimler ilgileniyor kimler çalışıyor diye ilgilendim. Onun üzerine projelerde yer almak, projelerde kendinizi geliştirdikten sonra endüstride kimler önde onların içinde bulunduğu üretim ve araştırma faaliyetlerinde yer almak daha sonra da bizzat endüstri içerisine, daha ürün odaklı bir kariyere geçiş yapmak.

Akademi ile endüstri arasında bizde çok net bir çizgi var. Yurt dışında bu çizgi bu kadar belirgin değil. Dolayısıyla yurt dışında bu tür ortamları, paylaşımları bir araya getirebildiğiniz daha fazla olanak var. Endüstrinin destek olduğu alanlar hat safhada. Açıkçası ben bu konuda şanslıydım. Yiğit Akü ilk zamanlar Ar-Ge faaliyetlerinde o kadar önde olmasa da oradaki yöneticiler ve sahipleri çok ileri görüşlü insanlardı. Böylelikle birçok şeye olanak sağladılar. Yani ben yurt dışına neredeyse denk olanakları o sırada, çalışma hayatımın ilk yıllarında edinebildim. Böyle ortam ve olanakları bulmak Türkiye’de çok kolay değil. Böyle faaliyetlerin desteklenmesi için devletin attığı adımlar vardı. Bunlar bizim zamanımıza göre biraz geriye gitmiş olabilir. Bu konularda uğraşan deneyimli insan kaynağı çok az ve deneyimsiz yöneticilerin etkisi ile de birçoğunun da yurtdışına kaçması kaçınılmaz oluyor. Aslında dünyada bu Ar-Ge desteğini daha çok endüstri veriyor. Dolayısıyla bu gelişmelerin endüstriden kaynaklanması birincil öncelik olmalı. Türkiye’de bu sürecin bir yerlerde tıkanmasının nedeni endüstride ileri görüşlü insanların katkılarına açık olunmaması. Sonuçta yeni bir teknolojiyi yeşertmek bir veya birkaç firmanın yapacağı bir şey değildir. O endüstride her değer seviyesindeki paydaş firmaların ortaklaşa yapabileceği bir şey.

Dolayısıyla o konuda bir şansım olduğunu düşünüyorum. Daha sonrasında da dirayet etmeniz gerekiyor. İnatla bu iş üzerine gitmeniz gerekiyor. Benim sürekli beraber çalıştığım arkadaşlara da söylediğim bir şey vardır: “Bir şeyi istiyorsanız onunla uğraşmanız gerekiyor. Böylelikle o hedef her ne ise size doğru gelecektir ve uğraştıkça yaklaşmaya devam edersiniz”. Çünkü o alanda kendinizi geliştirdiğiniz sürece etrafınızda bulunan profesyoneller ve ilişki ağı da sizinle iletişime geçmeye çalışarak ilgili ve türlü olanaklarla gelecekler. Dolayısıyla sebat eden kafa yapısının çok büyük bir faydası var. Dediğim gibi biraz inat, biraz merak ve uygun şans bu faktörlerin içerisinde.

S-3: Üst düzey bir pozisyonda ve sektörde ciddi deneyime sahip olan biri olarak, genç mühendislik öğrencileriyle çalışmaktan duyduğunuz heyecanın ve çevreciliğe olan tutkunuzun kaynağı nedir?

C-3: Tabii ki mühendislik alanında ilerledikçe teknikten kopup diğer dallarda da olduğu gibi yöneticiliğe geçme aşamasında bazı zorunlu değişimler yaşıyorsunuz. Dolayısıyla bu tür şeyler kolay olmuyor. Bir mühendisin teknik alanlardaki teorik bilgisi ve uygulama tecrübesinin yanında yönetici iken bu birikimleri ile teknolojik gelişmeleri takip ederek sektörün ihtiyaçlarını veya eksikliklerini görebilen birisi olması gerekir. Çok çeşitli yeni teknik alanda insanlara ufuk açmanız gerekecek. Yürüdüğünüz yollarda karşılaştığınız birçok zorlukları birçok dönemeçleri onlara göstermeniz, böyle bir tarafın da olabileceğini düşünmeleri için onları cesaretlendirmeniz gerekecek. Dolayısıyla teknik anlamda her zaman yeniliğe açık ve sürekli takip ediyor olmanız lazım. Özellikle teknik ve mühendislik alanındaki yöneticilik uygulamalarında bu altyapı ile donanmış olmanız bence çok önemli. Bunun dışında gençlerin heyecanını kırmadığınız sürece, onlara gerekli meraklı sorularını sorabileceği alanlar açtığımız sürece bizden bir adım, iki adım, üç adım önde gidiyorlar. Ben de bunu çok yaşadım. Dolayısıyla prensibim, eğer birine liderlik ya da bir gruba öncülük etmek istiyorsanız sizin onlar için ne yapacağınızı düşünmeniz lazım, onların sizin için değil! Çünkü günün sonunda bir lider ya da bir patron olarak onların önünü açacak sizsiniz. Dolayısıyla ben nasıl daha faydalı olabilirim diye düşünmeniz gerekir. Benim inancım genç mühendislerden beslendiğimiz kadar biz onlara katkı veremiyoruz yönünde. Çünkü esas onların çabası, onların motivasyonu olmadan birçok şey ilerlemeyecektir. Bunu sadece gençler olarak da düşünmeyelim. Burada da çok fazla tecrübe ettiğim bir durum, yaşı ilerlemiş fakat hala o dinamizme ve heyecana sahip birçok insan bulunması. Bu sadece yürümeyi seçtiğiniz kulvar ya da hayatın size getirdiği gerekliliklerle ilgili. Ben tamamen teknikten kopuk bir yönetim ya da liderlik anlayışını benimsemedim, hayatımda böyle bir değişim hiç olmadı. İstemedim de. İşin tekniğinden kopuk bir teknik kadro yöneticiliği yapılabileceğine de inanmıyorum. Dediğim gibi iki tane önemli basamak var: Birisi sürekli merakın ve araştırmanın içinde olmak. İkincisi de ben nasıl bu ekibi, takımı onların daha da meraklanması daha da yenilikçi fikirler getirmesi için nasıl motive ederim diye düşünmektir. Beni en çok heyecanlandıran budur.

S-4: Pomega, elektrokimyasal pil teknolojilerinde sektöre Ar-Ge olarak ne tür katkılar sunmaktadır? Yatırım yapmayı planladığınız bir üründe kar ile inovasyon arasında nasıl bir korelasyon kuruyorsunuz?

C-4: Bu biraz endüstriyel hedeflerle ilgili. Genel bir yol haritası çizecek olursak günümüzde endüstri enerji depolamaya çok fazla ihtiyaç duyar hale geldi. Dolayısıyla birçok sektörde birçok firmanın buna yatırım yapmak istemesi, buna iştahının artması çok doğal. Farklı pazarlardan o sektörde iş yapan firmalardan da çok fazla talep var dolayısıyla. Bu konuda işi iyi bilen insanların istihdam edilip o yolda ilerlenmesi çok önemli. Bu felsefe ile Pomega bir adım atmaya çalışıyor. Tabii ki hem bu vizyonla ilerlerken hem de marketteki değişimi iyi kovalamak lazım. Enerji depolama sektörü şöyle bir handikapı barındırıyor; aslında market küresel ölçekte çok fazla ortak hedefler ve gereklilikler taşırken lokal anlamda hem düzenlemeler hem de bazı lojistik engellerle karşılaşıyor. Batarya ürünleri günümüz teknolojilerinde lokasyona bağlı bir endüstri öbekleşmesine yol açan faktörleri barındırıyor. Enerji depolamada maliyet etkin bir şey yapmak istiyorsanız hitap ettiğiniz markete yakın olmalısınız. Dolayısıyla Amerika’daki oluşum da bunun bir yansıması. Pomega’nın vaktinde ortaya koyduğu market hedeflerinin içerisinde Amerika çok büyük bir pazar. Önümüzdeki süreçte enerji depolamanın istasyoner yani yerinde ve Gigawatt saatler düzeyinde depolamalara kayacağı öngörülüyor ki şebeke ölçekli enerji depolama ürünlerinin çok daha öne geçeceği maliyet etkin yatırımların yapılacağı bir alana doğru yöneliyor. Bu konudaki yatırımlar belki elektrikli araçlardan (EA), mobiliteden çok daha fazla ihtiyaç duyulan ve duyulacak bir alan. EA sektörünün belki çok daha büyük bir hacmi var fakat o sektörün genişlemesinin hızı istasyoner uygulamaların genişlemesinin şu an çok altında kalıyor. Dolayısıyla enerji depolamanın istasyoner uygulamaları gibi büyük hacimli enerji depolama projelerine ihtiyaç var. Mobiliteden ayrılan gereksinimleri karşılamak ancak ürünleri doğru hedefe yöneltmek ve tasarım değişiklikleri ile mümkün.

Şimdi değişiklik ve yenilik derken bu tabii birçok farklı aşamada olabilir. Bu aşamalar sizin üretimde yapacağınız yenilikler olabilir, tasarımda yapabileceğiniz yenilikler olabilir. Değişimin başında aslında bu işin çok da üretiminde yer almamasına rağmen başat belirleyici faktör olan işin mutfağında, kimyasında yapabileceğiniz yenilikler olabilir. Bu sektörde bu yatırımları yaparken bir taraftan kendi teknolojinizi geliştirmek için yeniliklere yatırım yapmanız bir gereklilik, yani olmazsa olmaz koşul. Birçok firma inovatif olarak tek bir komponent üzerinde durabiliyor ama bu yeterli gelmiyor, bu çok geniş bir sektör. Dolayısıyla birçok firmanın bir araya gelerek yenilikçi bir ürün geliştirmesine katkı vermesi şart. Bunları hedeflerken daha çok nerede ortak çalışma yapabilir ya da sektör paydaşları olarak birbirinizi tamamladığınız, uç uca eklendiğinde birbirlerinin ihtiyaçlarını karşılayan entegre yeniliklere yönlendirmeniz gerekiyor. Ortaklaşa birçok projede araştırma ve üretim süreci geliştirme kısımlarında yapılabilecek çok şey var. Bunların da mali olarak desteklenmesi lazım tabii ki. Endüstriyel olarak sadece Kontrolmatik ve Pomega özelinde konuşursak bizim malzeme ve tasarım tarafına yönelen üniversitelerle başlattığımız çalışmalar var. Örneğin; bir seperatör firmasıyla iyonik iletkenlik, bir metal folyo firmasıyla elektrotların elektrik iletkenliğinin geliştirilmesi vb. EA sektöründe de bu böyle gelişti. Çoğu alanda ortaklaşa projeler yapmaya çalışıyoruz ve o yenilikleri, projelerden kaynaklanarak üretim hedeflerini, teknolojinin uygulama hedeflerini de önümüze koyarak yönlendirmeye çalışıyoruz.

S-5: Yenilenebilir kaynaklardan enerji üretiminde şimdi ve gelecekte en ucuz türün güneş olduğu gerçeğiyle aynı anda hem enerji üretip hem de enerjiyi depolayabilen güneş pili sistemlerinden bahsedebilir misiniz?

C-5: Güneş pili için bazı sorular sormak gerekiyor. Çünkü fotovoltaik (PV) endüstrisi enerji verimliliği ve üretim hacmini artırmak ile beraber üretim maliyetlerinde ve çevreye olan etkilerinde bazı duyarlılıkların da dikkate alınmasını gerektiren bir alan. Şu an dünyanın çok fazla PV enerji depolamaya yöneldiğini söylemek çok doğru değil açıkçası. Fakat Çin’in düşürdüğü maliyetler ile beraber oldukça hızlı gelişen bir pazar var. Teksas ve Kaliforniya’da çok büyük yatırımlar var. Buradaki en büyük engel bu üretim süreçlerinin Dünya’ya dağılmasıyla yaşanacak. Dolayısıyla PV teknolojilerinin dağılması bir taraftan avantaj getirirken diğer taraftan da regülasyonların ve sorgulamaların bu üretim sistemlerindeki çevreye etkilerinin ve maliyetlerinin sorgulanmasını getirecek. Şu an bu sorgulamalar kulak ardı ediliyor. Asya’daki üreticiler birçok kapasiteyi karşılıyor ama karşılanamayacak noktaya da gelecektir. Önümüzdeki üç beş yıl içerisinde çok ciddi bir gelişim gösterecek. PV sektöründe, elektrikli araca benzer bir şekilde gelişebilecek dalgalanmalar olabileceğini düşünüyorum. Fotovoltaik sistemlerin üretim maliyet girdileri haricinde güneşten alınan enerji maliyetsiz. Fakat bunun da bazı handikapları var. Güneş gittiği zaman ne yapacağız? Bu bedava enerjiyi istediğimiz zaman kullanabilecek miyiz? Dolayısıyla fotovoltaik tek başına gelişebilecek bir sektör de değil. PV ile beraber gelen batarya sistemleri şu an en önde gelen destek teknoloji. Ancak şebeke altyapısının bu ihtiyaca cevap vermesi imkan dahilinde değil. Dolayısıyla PV yatırımlarına takiben batarya sektöründeki yatırımların da olması gerektiği gibi ivme kazandığını görüyoruz. Bu bağlamda hem üretim maliyetlerinden ve regülasyonlardan gelen cevaplanması gereken sorular var, iyileştirilmesi gereken üretim teknolojileri var, hem de yardımcı teknolojileri de destekleyecek şekilde marketin genişlemesi gerekiyor.

Normalde bir güneş pilinin aynı anda hem elektrik üretebildiği hem de depolama yapabildiği bir teknolojiye geçiş yapabilirsek bir atılım mümkün olabilir. Biz buna benzer bir çalışmayı eskiden ODTÜ GÜNAM’la maliyet analizlerinin de dahil olduğu belirli bir araştırma seviyesinde gerçekleştirmiştik. Katkı sunduğum bu çalışma hibrit ürün teknolojisinin küçük ve mobil ölçekte kompakt dizaynlar yapılarak karşılanmasının çok fazla maliyet etkin olmadığını gösterdi. Sonuçta verimli kullanım için bataryaları şartlandırmanız gerekiyor. Her ne kadar verimleri yüksek olsa da gerçek batarya paketi ortamında farklı sıcaklık ve iklim koşullarında dalgalanan ve batarya paketinin içini etkileyen, batarya ömründen yemeye doğru giden bir süreç izlenir. Dolayısıyla PV’de beklenen ömürler çok daha uzun, en azından öyle olması hedefleniyor. Fakat batarya buna yetişemiyor. Daha sonrasında mekanik olarak bazı zorluklardan dolayı bunu alıp değiştirmeniz pek mümkün değil. Bütün bu şeyleri düşündüğümüz zaman kompakt bir sistemin etrafta gördüğünüz ufak tefek uygulamaların dışında çok da fazla gelişemeyeceğini öngördük. Dolayısıyla daha çok sektör odaklı uygulamalar yapmaya karar verdik.

S-6: Gelecekte enerji depolama ve yenilenebilir enerji teknolojileri arasındaki işbirliğinin nasıl gelişeceğine dair tahminleriniz nelerdir ve bu işbirliğinin enerji sektöründe ne tür değişikliklere yol açabileceğini düşünüyorsunuz?

C-6: Bunu aslında bir şekilde cevapladım. Yan yana giden ve birbirini var etmesi gereken marketler bunlar. Dolayısıyla ortaklıkların endüstri seviyesinde olacağını göreceğiz. Devlet teşviklerini de görüyoruz zaten bunlar başladı. Fakat ikisi de birbirine yakın teknoloji ve disiplinlere sahip olmasına rağmen yani birbirinden anlayan, birbirinin işletme koşulundan, birbirinin operasyonlarından, teknolojisinden anlayan bir mühendislik olmalarına rağmen teknik eleman açığı var. Bunu çok fazla zeminde defalarca dile getirdim. Amerika’da da bulunduğumuz proje toplantılarında da özellikle yankı buldu. İki endüstrinin hem beraber gitmesi gerektiğini hem de kendi insan kaynağını ve yetişmiş teknik kabiliyetlerini bir araya getirmesi gerektiğini düşünüyorum. Dolayısıyla yine en yavaş basamak olan ve öncelik verilmesi gereken insan kaynağı yetişmesinin beraber geliştirilmesinin teknolojilerin olmazsa olmazı olduğunu düşünüyorum. Her iki, PV ve batarya teknolojileri ancak bu şekilde beraber ilerleyebilecek.

S-7: Elektrokimyasal piller, modern teknolojinin temelini ve günlük hayatımızda kullandığımız birçok cihazın temel güç kaynağını oluşturur. Lityumun elektrokimyasal piller için özel bir önemi var mı, açıklayabilir misiniz?

C-7: Lityum aslında hidrojenden sonra gelen ilk reaktif element. Hidrojen, yanmayla beraber bildiğimiz en yüksek enerjiyi çıkaran, gaz halinde faydalanabildiğimiz bir element. Dolayısıyla hemen arkasından gelen Lityum’un katı halde olması ve bulunduğu malzemelerin içerisinde rahatça depolanabilmesinden (bir nevi hapsedilerek) dolayı yüksek enerji ve voltaj değerleri elde edilebiliyor. Sistem tasarımlarında pil hücresinin voltajı çok önemlidir. Voltaj değeri bazı uygulamalarda yeterken bazı uygulamalarda yetmeyebilir. Genel bir telekomünikasyon ve aydınlatma türevi mobil uygulamaların üzerindeki enerjilere çıkıldığında veya bir cep telefonundan dizüstü ölçeğine geçildiğinde batarya hücrelerini seri bağlayarak voltaj yükseltmeye çalışıyorsunuz. Bunun içerisinde ne kadar yüksek voltajlı bir hücre kullandığınız, ne kadar az sayıda hücre koyduğunuz önemli olmaya başlıyor. Lityum bu konuda çok önemli bir boşluğu dolduruyor diyebiliriz. Onun bile yetmediği uygulamalar var.

Fakat Lityum’un daha da yaygın bir şekilde kullanılmasının nedeni elektrot malzemeleri içerisindeki enerjisini tekrar kullanılabilecek bir şekilde şarj deşarj konusunda diğer bataryalardan üstün bir verimde, daha fazla sayıda ve kararlı bir şekilde entegre edilebilmesidir. Diğer bataryaların büyük bir kısmı, “conversion” (dönüşüm) veya kimyasal alaşımlama gibi yöntemlerle veya reaksiyonlarla geliştirildiği için, bu bataryalar daha düşük dayanıklılık sergiler ve daha hızlı yaşlanır. Buna karşın  Lityum bu konuda çok daha fazla çevrim sayısı ve ömre sahip. Ayrıca çok değişken operasyon koşullarına dayanabiliyor. Bunun nedeni de dediğim gibi lityumun görece daha küçük iyonik radiusu ve birçok ham madde içerisinde kimyasal bileşik yaparak onların içine difüze olarak depolanabilmesi. Lityum elementi üzerine enerji depolamanın geçmişine bakarsanız grafitin bulunması çok büyük bir önem arz etti. Çünkü güvenli bir şekilde ve düşük elementel enerji seviyelerinde de depolanabilmesini sağladı. 

Dolayısıyla yine böyle yüksek enerji aralığını destekleyecek malzeme arayışları var. Sodyum, Potasyum ve Alüminyum üzerine var. Magnezyum üzerine bir miktar var. Fakat dediğim gibi Lityum’un reaktif ve uzun süreler, uzun çevrim sürelerinde operasyonlarında kullanılabilir olması onu neredeyse değiştirilemez kılıyor. Sodyumun üzerine de daha öncesinde çalıştığım yerlerde bazı araştırmalar ve testler yaptık. Onun da tamamlayıcı etkileri olabileceğini düşünüyoruz. Fakat cevrim ömrünün yüksek olması ve kolayca bozunamamasından dolayı Lityum’un yerine geçebilecek bir teknoloji hala yok.

S-8: Elektrokimyasal piller, güç yoğunluğu açısından önemli avantajlar sunmalarına rağmen, şarj edilme hızları beklenen düzeyde değildir. Bu pillerin şarj hızının en azından süperkapasitörlerin hızına ulaşabilmesi için nasıl bir yol izlenebilir?

C-8: Bu istek elektrikli araçlar ya da mobil uygulamaların günlük kullanıma yoğun olarak girmesiyle ilgili. Normalde otomotiv sanayinde özellikle kurşun asit piller kullanılıyor fakat bunlar çok yüksek amperlere çıksalar da, kapasitelerinin 4-5 katı akımlar alabilseler de bunları çok kısıtlı zamanlarda ve kısıtlı depolama kapasitelerinde yapabiliyor. Elektrokimyasal süreçlerin kendi kinetiklerinden kaynaklı. Sonuçta içinde bir difüzyon kinetiği, bir reaksiyon kinetiği var ve bunlar genelde katı sıvı fazlarda olabiliyor. Gaz halinde olabilenler çok değişik yapılar ve yüksek basınçlar istiyor ya da yakıt hücresi dediğimiz cihazlarda gaz difüzyon tabakalarıyla çalışıyor. Bunlarda yüksek enerjili faz değişimleri de söz konusu ve bu reaksiyonlar yüksek entropi ile oluşan reaksiyonlar. Örneğin, kapasitörlerdeki yük aktarımını çok hızlı bir şekilde elektron tabakaları ile iletebiliyorsunuz. Ama elektrokimyasal pillerin genelinde bu şekilde olmasını bekleyemiyorsunuz çünkü çok büyük yük transferi türleriyle uğraşıyorsunuz. Atomlar, iyonlar, moleküler kinetiğin yavaşladığı ve ölçeğin büyüdüğü olaylar. Hiçbir zaman o şekilde bir ultrakapasitör ya da kapasitörün kinetiğine ulaşabileceğini zaten çok fazla ön görmüyoruz. Çok değişik bir mimari olur, çok nano yapıda bir şey olursa belki o zaman doğanın sınırlarıyla oynamamız mümkün olur. Ama elektrokimyasal depolamanın zaten temelindeki önemli amaç uygulanabilir seviyelerde, hızlanabileceği kadar şarjı hızlandırmak ve bir miktarda kapasiteyi artırmaktır. Fakat esas uygulamada bunlar saatler mertebesinde değil dakikalar mertebesinde isteniyor. Kapasitörlerde özellikle saniye, milisaniye mertebesinde gerçekleşen süreçler. Dolayısıyla ikisinin de birleştiği ortak bir boş alan var.

Şu an böyle bir açığımız var teknolojiye dair. Buraya cevap vermekte de Lityum piller baya öne geçiyor. Çünkü Lityum iyonunun çekim ve bağlanma hızından kaynaklanan kinetik difüzyonu çok daha hızlı bir şekilde oluyor. Lityum’un iyon interkalasyonunda (malzeme içerisine yerleşmesi) özellikle katı haldeki difüzyonu hızlı bir şekilde gerçekleşebiliyor. Dolayısıyla diğer bataryaların sağlayacağı hıza göre daha fazla hızlı şarj ve deşarj olması mümkün. Bu da bahsettiğim bölgedeki uygulama boşluğunu yeterince kapatmasa da daha çok umut vadediyor. Dolayısıyla elektrokimyasal batarya teknolojisinden ödün vermeden yüksek enerjilerin mobilize edilmesi ya da depolanması iyonik bataryaların saatler mertebesinde sürelerde şarj ederek kullanılması ile yani Lityum ile mümkün oldu.

Bahsettiğim gibi; alüminyum, potasyum, magnezyum içeren iyonik bataryalar da var. Bunların en büyük sorunu hızlı şarj edebilseniz de 100 döngü civarında katot maddesinde çatlaklar oluşturması, tutunma azalışı, elektronik iletkenlik azalışı, aktif olarak kullanılan bölgeler tıkanması olarak sıralanıyor. Bunların hepsi işin içine girdiği zaman kazandığınız avantaj belirli bir uygulama için uygulanabilir fakat seri üretim için ekonomik olmuyor. Örneğin silikon da bunlardan bir tanesi. Silikon veya karbon alaşımlı bataryalar Lityum depolama kapasitesini ve aynı zamanda hızını artırabilir. Fakat 50 döngüden sonra bataryanın %90 kapasitesini kaybediyorsunuz. Dolayısıyla batarya teknolojisinde bütüncül düşünmek gerekiyor. Her parametreyi düşünerek geliştirme yapmanız lazım. 

Kobalt oksitlerin hızlı şarj edilmesi aslında bu sektörde çok yanlış bilinen şeylerden bir tanesi. Lityum kobalt oksitin %80 kapasitesini 15 dakika içerisinde şarj etmek belki 30 yıldır mümkün. Zaten bu var olan bir şey. Şimdi siz özellikle Çin’den çok fazla duyumlar alıyorsunuz. Her ay, hatta haftada bir büyük bir buluş patlatıyorlar. Araç teknolojisinde bazı mühendislik sistem tasarımlarıyla oynayarak şarj hızı, menzil, farklı çevre koşullarına karşın dayanım gibi özelliklerini geliştirdiklerini iddia ediyorlar. Özellikle Asyalı birçok şirket parametrelerle, tanımlarla oynayıp sanki çok büyük bir yenilik yapılmış gibi sansasyonel reklamlar yapıyor. Bunu da Batı’yı, özellikle Amerika’nın 30 sene önceki halini taklit ederek yapıyorlar. Bu iddiaların takibi yapılıp eski yıllarda neler söylendiğine, ne kadarının gerçekleştiğine, ürünün ve üretimin var olup olmamasına bakılsa ne kadar ilerlediği ortaya çıkar ve itibar etmezsiniz. Fakat memleketimizde de internetten takip ettiğim kadarıyla büyük bir kitle bilgisizce ve bunu kendilerine sahte bir itibar ve maalesef gelir kapısı devşirdikleri için konunun yarım yamalak, kulaktan dolma, işin tekniğini ve bilimini bilmeden üstüne atlanıldığını görüyoruz, reklamını daha da abartıyorlar. Bütün bunlar değerli ve bilgili insan eksikliğinin getirdiği cehaletin çoğalması ve asıl doğru bilginin kuru gürültünün içinde görünmez kılınmasıyla devam ediyor. Bu firmaların çoğunun aslında verdiği rakamlar çok idealize edilmiş senaryolar için geçerli. Gerçek ölçekte, gerçek sistem içinde ve uygulamada bunları almanız çok mümkün değil. Hem de göreceli değerlerin arkasına saklanmış, kıyaslamayı imkansız kılan bazı değerler mevcut. Örneğin, Tesla’nın da 350 mil menzil değeri var ama gerçek koşullarda 270-280 alınabiliyor.

Hızlı şarj olabilme çalışılırken diğer aşamalarda; ömür, maliyet ve sistemin bunları ne kadar koruyabildiği de önemli. Siz bir bataryayı hızlı şarj etmeye başladığınız zaman en büyük sorununuz ısı. Bu ısıyı bir şekilde uzaklaştırmanız lazım ve bunun için sistemin büyüklüğü ve dizaynı iyice kompleks oluyor. Havadan sıvı soğutmaya geçmeniz gerekiyor. Mikropetekler, termal filmler veya faz değiştiren malzemelerle soğutuyorsunuz. Dolayısıyla bunların toplam sistem maliyeti artmakta. Dediğim gibi eğer hızlı şarj çalışılmak isteniyorsa sonuçta uygulamanın getireceği hem batarya parametrelerinde avantaj hem de sistem bazında maliyet ve karmaşıklık düşünerek çalışılması gerekiyor. Bunlar şu an en büyük engeller. Malzeme kinetiği geliştirilirken diğer sistem parametreleri de düşünülerek yapılması gerekiyor.

S-9: Son zamanlarda yanma ve patlama gibi güvenilirlik sağlayan katı hal piller (KHP) bir taraftan difüzyondan çalıyor bir taraftan güvenilirlikleri artıyor. Bir avantaj sağlarken bir dezavantaj oluşturuyor. Sektör bir batarya üretirken bunları analiz ederek bir şeyler mi yapıyor yoksa var olanı üretelim burada bir açık var buradan biz de kar edebiliriz ve para kazanabiliriz gibi mi düşünüyor?

C-9: Yani bazı malzemeler üzerine gelişmiş, olgunlaşmış bir teknoloji var. NMC (nikel-mangan-kobalt), NCA (nikel-kobalt-alüminyum) dediğimiz ve bunların yanında LFP (lityum-demir-fosfat) vb. malzemeler mevcut. Aynı şey diğer batarya tiplerinde de var ve alışılan olgunlaşmış batarya tiplerine ait grafikler var. Biz bunlara sınıflandırma haritaları diyoruz, belirli koşullarda hangi batarya tipinin (Örn. 10C; 1 saatlik kapasitenin 10 katı hızla deşarj) hangi amaçlara hizmet edebileceği. Bu tür grafiklerin hepsi aslında malzemeye dair var fakat bunların hepsi sistemsel dizayn yaptığınız zaman etkilenecek şeyler ve bu yeni start-up firmalar bu konularda yenilik yapmaya çalışıyor.

Hücre dizaynında da malzemede de aynı anlamda. Verdiğiniz örnekte de mesela katı hal (KH) tamamen tabakalı oksit yapıların getirdiği güvenlik açıkları ya da termal olarak yanma, patlama gibi güvenlik risklerine cevaben çıkmış bir hücre yapısı. İlk çıkan Lityum-iyon hücreler çok yüksek kapasitede, Lityum anodunu kullanan kimyaya sahipti. Lityum’u aslında bir nevi elektrokimyasal olarak yakıyordunuz. Dolayısıyla orada yine bu yangın riski mevcuttu. Bu riskin öyle hafife alınamayacağı da görüldü ve bundan vazgeçildi. Daha sonra Rachid Yazami’nin de çalışması ile karbon anoda geçildi. Son zamanlarda görüldü ki bu hala çok güvenli değil.

Özellikle nispeten tabakalı oksit katot malzemelerinde, kısa devre ile yangın ve zincirleme termal tepkime olasılığı çok yüksek olduğundan bunu tamamen ortadan kaldıracak KH bir membran yapılması düşünüldü. Çünkü Lityum iyonunun difüzyonu yine elektrotlarda da olduğu gibi katı malzemelerde nispeten yüksek. Bu sayede belki eskiden kullanılmış Lityum anot olarak tekrar kullanılmaya başlanabilir. Bu sayede kapasiteyi de çok artırabiliriz. Fakat bir parametreyi geliştirirken diğerlerinin nasıl etkilendiğini bilmek gerekiyor. Katı seperatör ile tamamen katı bir batarya üretim teknolojisi de çok kolay değil. Dediğiniz gibi difüzyon azalıyor bu sefer ve bunları çok ince bir şekilde üretmeniz gerekiyor. Var olan teknolojiler içerisinde plazma reaktörleri kullananlar var, Atomik Katman Biriktirme (ALD) ile adlandırılan reaktörler kullananlar var. Birçok değişik kaplamayla bunları yapmaya çalışanlar var. Fakat dediğim gibi bu kapasite ve güvenlik önlemlerini artırırken maliyet etkin de bir üretim yapmak istiyorsunuz.

Katı seperatör için kullandığınız malzemelerin çoğu bu tür teknolojilerle üretilmeyen malzeme ve batarya yapısı. Hücre üretimi konusunda maliyet çok etkilidir. Dolayısıyla yarıştığınız diğer sektörler, diğer batarya uygulamaları da var. Örneğin, hidrojen depolama, yakıt hücreleri, petrole bağlı bazı teknolojiler; onların maliyetleriyle yarışamadığınız noktaya geldiğinizde o teknolojiye yatırım yapılıyor, onu araştırmak daha makul olmaya başlıyor ve KH de bunlardan biri. KH membran teknolojisinde araştırma yapılmasının diğer bir nedeni de toplam hücre maliyeti içindeki diğer malzeme fiyatlarının azalmasından kaynaklanır. Dönem dönem bazı araştırma konuları böyle popüler oluyor. O an herkes ile beraber bir “breakthrough” algısı besleniyor ki kaynak da o konuya gitmeye başlıyor. Fakat işi anlayan insan sayısı çok az olduğu için direnç görmeden böyle bir heyecan yaratılıyor. KHP’de de biraz böyle çünkü birçok insan KH yapıyorum diye girip yarı katı yapıyoruz biz aslında itirafına doğru döndüler.

Bunların içerisinde sektörün başat firmalarından CATL de var, NIO da var, başka batarya firmaları da var, otomotiv firmalarının desteği de oldu. Fakat bekleneni veremedi. Şu an Asyalı firmalarının biraz aldatmaca içeren reklamlarından ibaret gibi görünüyor. Aslında yine ilk KH dediğimiz lityum polimer bataryalardır. Bilgisayarlarımızda belki de 20 yıldan fazladır kullandığımız bataryalar, onlar da katı membran oluşturuyorlar. Onların da bir mertebeye kadar engelleyiciliği var. Celgard’in auto shut-off ürünü, diğer seramikli membranlar mesela bunlara örnektir. Çeşitli difüzyonu ketleme mekanizmaları ile sıcaklık artışı engelleniyordu. Gerçek tamamen KHP aslında şu an çok olgunlaşmış bir teknoloji değil. Birçok firma TRL seviyesinde 3, 4. seviyelerde ürünleri geliştirmeye çalışıyorlar. Önümüzdeki sene, ondan sonraki sene diyorlar ama pek öyle olmuyor, bekleyip göreceğiz. 20 senedir ben çok böyle haber duydum. Sonra da çok geri adım atıldı. O sıralarda dediğim gibi bazı yatırımlar alabilmek için, bazı gelişmelere önayak olabilmek için bu tür sansasyonlar kullanıldı. Yine kullanılıyor.

S-10: Elektrokimyasal süreçleri ile beraber düşünüldüğünde lityum pillerin maliyeti aslında şu an yeterince iyi gibi. Lityum hammadde fiyatı son 2 dönemde 4 yılda bir yukarı yönlü bir pik yapsa da öngörülemez bir fiyat skalası var. Sodyum’un ise lityuma göre daha ucuz olacağı belli. Bir, Ar-Ge müdürü olarak sodyumların sizce geleceği nedir, lityumun önüne geçebilir mi?

C-10: Laboratuvar bazında değil ürün geliştirme ölçeğinde sodyumla ilgili yakın zamanda yaptığım bir çalışmam var. Sodyum aslında uzun süredir çalışılan bir teknolojiydi ta ki Lityum önceliği alana kadar. Daha yüksek kapasiteler daha yüksek voltajlara çıkabildiği için tercih Lityum’a kaydı. Çünkü sistem dizaynında gereksiniminiz voltaj. Geriliminiz ne kadar yüksekse o kadar az hücre koyarsınız. Sodyum batarya dediğimizde de biz aslında çok geniş bir denizden bahsediyoruz. Bunun içerisinde Lityum’a uygun şekilde üretilebilecek, onun üretim proseslerini paylaşabilecek “Sodyum-iyon” bataryalardan bahsettiğimizi belirtmemiz gerekir. Bunların içerisinde üç tane temel katot tipi var. 

• Prusya mavisinden gelen PBA (Prussion Blue Analogues) diye geçen, PB’nin siyanatlı kristal yapısı öne çıkıyor. Daha çok pigment endüstrisinde kullanılan malzeme içerisine Sodyum emebildiğini kanıtlayıp daha fazla araştırmalara konu oldu.
• NMC, LCO (lityum kobalt oksit) gibi tabakalı fazlardan oluşan ve bu fasetlerin arasına sodyum yerleştirebildiğiniz katot tipi. Yerleşen Sodyum değerliklerinden dolayı çok farklı stokiyometri oranlarına sahip olabilir. 
• NASICON (sodyum süper iyonik iletken) benzeri katalist içerisinde daha fosfatlı yapılarda ise sodyum daha iyi iletilir. Yine bir nebze düşük voltajlı ama, LFP gibi, daha güvenlikli bir batarya modeli olduğu bildiriliyor. 

Bu üç tane temel katot kimyası çalışılıp Lityum iyon bataryalarla aynı üretim teknolojisine sahip olurlarsa kolaylıkla pazara girebilecek bir ürün çıkarılabilir. 

ABD’de sodyum iyon batarya teknolojileri alanında öncü olarak kabul edilen başlıca startup firmaları arasında Natron, Faradion, Altris ve AMTE sayılabilir. Dolayısıyla bunların baz aldıkları katot malzemeleri bizim lityum prosesini yaparken Lityum’un hücre üretiminde kullandığımız aynı ekipmanlarla yapılabilecek malzemeler. Üretim teknolojisi eğer çok başkalaşırsa Lityum’un da eskiden yaşadığı handikapı yaşamak zorunda kalacaklar. Çünkü ölçek büyütme yapmadan, üreticiniz yokken, üretim teknolojisi çok pahalı oluyor. Dolayısıyla bu doğrultuda ikame edilebilecek teknolojiler ya da malzemeler üzerine çalışıyorlar. Orada da Sodyum’un performansına bakıyoruz. Deniyor ki; Lityum ile çalışabilecek hatları biz de yapabiliriz. Ufak değişikliklerle maliyeti düşürdük. Lityum’un onlarca senedir koştuğu yere bir nevi aradan girdik ve onunla beraber geliştirmeye çalışıyoruz. Fakat Sodyum’un doğasında çeşitli voltaj profillerinden, platolarından geçmesi gerekiyor. Lityum’da böyle bir şey yok, bir anda bütün enerjisini kararlı ve uygun potansiyelde verebiliyor. Dolayısıyla sodyumun bu farklı potansiyel adımları sistem dizaynlarını kompleksleştiriyor. Onun dışında düşen voltaj ile başka anot malzemeleri de kullanabiliyorsunuz fakat düşen voltaj yine sistemde enerji yoğunluğunu düşürüyor, daha fazla hücre kullanmanıza neden oluyor. Bu oran %20-25’ler mertebesinde. Birçok avantajı ile birlikte aslında Lityum’u tamamen değiştirebilecek bir teknoloji olmaktan şu an uzak. Sadece bazı yüksek kapasiteli uygulamalarda Lityum’la beraber hibrit sistemler için destekleyici olarak kullanılabilir.

Bunun dışındaki Sodyum özelinde bambaşka bataryalar da var. Örneğin; Zebra batarya diye bir proje çalışılmıştı onlarca yıl evvel, bakabilirsiniz. Ama Sodyum-iyon batarya genel itibariyle bu belirttiğim Lityum-iyonun getirdiği proses teknolojisi üzerine inşa edilerek, bu avantajı kullanarak geliştiriliyor.

S-11: Yapayzekâ (YZ) teknolojilerini kullanarak kimyasal tasarımları modelleyen ve bu tasarımları laboratuvar ortamında test eden batarya Ar-Ge firmaları hakkında bilgi verebilir misiniz?

C-11: Yani aslında şöyle söyleyeyim bu benim doktora hocamın ABD’de bir post doc hocası vardı simülasyoncu kendisi, malzemenin atomik ve elektron yoğunluğu, yoğunluk fonksiyon teorisi (DFT) gibi konularda çalışmış bir insan. Dolayısıyla buradan büyük bir veri çıkardığı mozaik adlı bir projesi vardı. O proje ile beraber, yapay zeka (YZ) nın da katılmasıyla tabi, projelerde çeşitli varyasyonları çalışıp öngörerek daha önceden adımlarını attıkları yapılar var. Belli başlı 15-20 tane aday kimyasal bileşik bulabiliyorlar. Bunları bulurken uyguladıkları prensipler her zaman gerçek hayatta üretilebilir olmayıp bazı koşullarda stabil olmuyor. Sizin tek bir hücreyi tamamen bütün olasılıklarıyla, bütün moleküler dinamikleriyle bir bilgisayar içinde çözdürmeniz çok zor. Bu bilgisayarlar ister NASA’nın çok büyük işlemci kabiliyetine sahip bilgisayarlar olsun hiç fark etmez. Kuantum bilgi işlemesi olunca belki bu tür şeyler çok daha olası olabilecek. Bugüne bakacak olursak, bir malzemenin üretilmesinin, prosesinin büyük bir ekonomisi var. Bunun hammadde tedariği, deneysel olarak konseptleştirilmesi, onaylanması, seri üretimi, hem fizibilitesi hem de ekipmanlarına kadar giden bir maliyet analizi var. Dolayısıyla simülasyon çok basit ve temel araştırmalarda destek olabiliyor. Fakat nasılının cevabını vermiyor. Bu öngörülerin kesinlikle laboratuvar ortamında elektrokimyasal süreçler ve diğer komponentlerle (membran, elektrolit, anot ve katot malzemeleri) beraber çalışılması gerekir. Daha büyük ölçekte simülasyonlar da var bunlarla ilgili ama bunların hepsi deneysel verilere dayanıyor. Kimyasal dediğimiz simülasyonlar bunun görece üç dört seviye altında kalıyor dolayısıyla. Arada geçilmesi gereken birçok basamak var ve dediğimiz gibi hala oldukça yavaş. Bilgisayar teknolojisi çok fazla parametreyi işleyen yapay zeka araçlarına hızlı cevap veremiyor. Ayrıca simülasyon çıktılarında birçok çöp veri ile karşılaşıyorsunuz. Bu tür çalışmalar Sodyum’da da, Lityum’da da yapılıyor ama dünyada bu işin üzerine çok fon ayrılmış değil açıkçası. YZ’nin hemen sirayet edebileceği başka türlü uygulamalarına daha fazla fon var. Keşke bu alanlara da biraz daha eğilim olsa ama orada bir boşluk var. Bu da gösteriyor ki bilgisayarlı hesaplamanın pratik malzeme araştırmalarına daha yolu var gibi. Kuantum bilişim eğer başarılabilirse bu konuda da çok büyük bir atılım olabilir.

S-12: Elektrikli araçlar (EA) ve diğer sektörlerde lityum piller, uzun menzil ve ani güç ihtiyacı gibi gereksinimleri karşılamada yetersiz kalmakta. Bu nedenle gelecekte ışık, gravitasyonel veya manyetik alanda alternatif enerji depolama sistemleri enerji ve güç yoğunluğu talepleri karşısında daha etkili olabilirler mi?

C-12: Aslında lazer konusu ile ilgili çok fazla şey söylemeyeceğim. Daha önce lazer prosesiyle ilgili çalıştım ama lazer kullanarak enerji depolama çok uğraştığım bir şey değil. Bildiğim kadarıyla enerji depolama alanında daha çok malzeme üretimi prosesleri için kullanılıyor. 

Gravitasyonele gelirsek, EnergyVault diye bir firma var. Firma, elektrik motorlarına bağlı makaralar ile ağırlık kaldıran elektromekanik sistemler ile enerji depolama üzerine çalışıyor. Bu sistemin enerji yoğunluğu çok önemli olmadığı için daha çok istasyoner (sabit) alanlarda uzun yıllar kimyasal bir kirlilik yaratmadan güvenli bir şekilde kullanılması öngörülüyor. Ancak mali açıdan bakıldığında çok fazla oynayan parça olduğu için mekanik dayanımın da önem taşıması kaçınılmaz. 

Onların yanı sıra “sand battery” teknolojisinde ısı enerjisini kum içerisinde depolanmasına dayanan birkaç start-up’ta mevcut. Toplam maliyetin zamanla eksponansiyel bir şekilde artmasından dolayı bu sistemlerin çekiciliği yavaş yavaş azalıyor. Ama yine de bu alternatif teknolojilerle ilgili çalışanlar var. Bildiğim kadarıyla uzun yıllar dayanım gösterebilme iddiasıyla maliyet avantajının öne çıktığı söyleniyor fakat ne kadar gerçekçi olacak göreceğiz. 

Enerji çevriminde ara aşamaları ve transfer basamaklarını ne kadar artırırsanız o kadar enerji kaybedersiniz. Dolayısıyla günün sonunda artan üretim basamakları ile “Toplam Sahiplik Maliyeti” artabiliyor. Birkaçı başta çok ucuz ve cezbedici olsa da verimliliği beklediğimiz değerlere taşıyamayabiliyor. Bu tür sistemlerin test edilmesi uzun yıllar alan, zamana dayalı olan ve yıpranmayı kolay kolay karakterize edemeyeceğiniz elementler taşıyor. Dolayısıyla termal açıdan bataryalar daha yüksek bozunma koşullarında, makul öngörülerle analiz edilebilen, artık tanınan bir teknoloji ve bu açıdan da avantajlı. Bu tür pratik ve endüstriyel ölçeklendirme koşulları nedeniyle genelde batarya özelinde elektrokimyasal, elektriksel, kapasitif depolamaların önde olduğunu düşünüyorum. Şu an için daha fazla dönüşüm ekleyecek ya da daha fazla dönüşüm eklemese bile maliyetleri çok iyi araştırılmadan yapılacak yatırımların TRL (Teknoloji Hazırlık Seviyesi) de alt basamakta olduğunu söyleyebilirim. Aslında Lityum da bir 15 sene önce orta basamaklardaydı. Lityum tabanlı batarya üretimi pahalı bir şeydi. 

Dolayısıyla bunun ölçeğinin büyütülebilmesi çok uygun olsa bile zaman kaybettirebilir fakat yürümeniz gereken bir yoldur. Bu gibi dirençleri özellikle de pratikteki zorlukları düşünerek olaya yaklaşmak gerekir. Güneş, rüzgar ve dalga yeşil dönüşümün başat kaynaklarından ama süreklilikleri olmadığından enerji depolamaya muhtaçlar. Depolama dediğimiz zaman da batarya ve kapasitörler önde geliyor.

S-13: Elektrokimyasal piller şu an en fazla kara araçlarında kullanılmaktadır. Bu pillerin farklı uygulama alanlarına (deniz, hava ve özellikle uzay) göre güvenlik açısından malzeme seçimi nasıl olmalıdır ve hangi özelliklere sahip malzemeler tercih edilmelidir? Ayrıca, uzay gibi aşırı koşulların olduğu ortamlarda kullanılacak pillerin tasarımında nelere dikkat edilmesi gerekir?

C-13: Dünya yüzeyindeki pil teknolojilerindeki uygulamalarda genelde korozyon, mekanik darbe, termal şok gibi dış etkenlerin çizdiği çerçevede batarya paketi ile ilgili geliştirmeler yapmak mümkün. Uzay ya da yüksek irtifa dediğimizde ise çok yüksek sıcaklık aralıklarından (-230 ile +120 °C) ve düşük basınçtan bahsediyoruz. Çok aşırı koşullara giden sıcaklık değişimleri. Yani bir şekilde basıncı ve diğer koşulları halledebiliyorsunuz. Bazı koşullarda da hiç gereksiniminiz olmuyor çünkü insanın var olduğu yerlerde çalıştığınız için bu bataryaların basınçlandırılmış yerlerde olması söz konusudur. Sıcaklık etkisi dünya koşullarında da bir sorun olduğu gibi uzayda daha da zorlayıcı bir faktör olarak öne çıkıyor. Ayrıca uzay ortamında olanaklar ve çevresel yardımcı sistemler ve bunlarla sağlayabileceğiniz kontrollerden yoksunsunuz. Bu tür koşullarda sizin bataryaya erişiminizin olup olmaması, ona ne kadar bakım ya da değiştirme yapıp yapamayacağınıza göre tüm tasarım değişmek zorunda.

Bu aşırı koşullar altında batarya üretiminde Fransız Saft firması öndedir. Saft, bütün akümülatör üreticilerinden toplanmış bir konsorsiyum olarak başladı. Amerika’da da birkaç fabrikası var. Bunlar tamamen çok aşırı koşullara dayanan “niche” bataryalar üretiyorlar. Ve bu batarya paketleri için de pek tabii ki daha sıra dışı batarya kimyalarına başvuruyorlar. Hatta e-formula yarış arabaları için de batarya üreten firmalar arasındalar. Uydular, askeri uygulamalar ve bunlara ait çeşitli batarya uygulamalarında da varlar ve tasarımları çok pahalı. Çünkü bunlar çok az sayıda yapılıyor ve maliyetten kaçınılmıyor. Özellikle dediğim gibi bu uygulamalarda sıcaklık kontrolü ve dayanımı çok önemli. Herhangi bir güvenlik koşulu yaratmaması önemli. Yüksek ısı kaynaklı yangınlar için uzaya kimseyi çıkarmasanız ve o kurduğunuz uydu milyonlarca dolar. Onu bir daha alıp götürmeniz söz konusu değil. Dolayısıyla bu parametreler baştaki tasarım gerekliliklerini belirliyor. Güvenlik, ekstrem sıcaklık değişimleri ve uzun süre kullanıma odaklandığınız zaman günlük pratik kullanımdan çok daha başka teknolojilere gidebiliyorsunuz. Yakıt hücresi bunlardan bir tanesi örneğin. NASA’nın uzay mekikleri için 1950-60’larda başlamış bir çalışma.

Uzayda çok düşük sıcaklıklarda Lityum pillerin kullanımına gelelim. Dünya’da gözlenen sıcaklık minimum -50 °C’lere düşebiliyor. -20 °C’de siz normal bataryayı şarj etmeye çalıştığınız zaman, LFP’de özellikle, potansiyeli çok düşüyor. Performansı çok düşüyor ve dentritik dediğimiz yapılarla kontak yaratıp bataryayı bir anda infilak ettirecek kısa devrelere neden olabiliyor. Dolayısıyla bu tür kimyasalların kullanılması mümkün değil. Güvenlik faktörünü tamamen devre dışı bırakabilmek için KHP’ler daha çok tercih edilebilir. Yüksek güvenlik ve yüksek sıcaklık aralıklarında size performansından çok ödün vermeden hizmet verebilen batarya sistemleri getirebilirsiniz. Bu tür sıra dışı koşullarda katot kimyası ve tabi ki membran dediğimiz, yakıt hücresinde çok daha önemli olan, teknolojinin bu koşullara adapte edilmesi, onun yanında başka elektrolitik sistemlerin konup belki hibrit bir şekilde desteklenerek kapasite artırımına gidilmesi gibi şeyler söz konusu olabilir. İnsansız araçlarının yüzey sıcaklıkları yerkürede -70 ile 100 °C, yakın uzayda -270 ile 120°C aralığında ciddi değişimler gösterir. Bu değişime karşın malzeme dayanımları iyileştirilmeli ve reaksiyon kinetiklerine uygun kimyasal yapılar tasarlanmalıdır. Özellikle yalıtım komponentleri üzerine çalışmalar yapılmalı. Güneş’ten ısı aldığı zaman çalışabilecek belirli bir operasyon algoritması da geliştirmeniz gerekiyor. Bulabileceğiniz her türlü çözümü uygulamanız gerekiyor. Yüksek sıcaklıklardan etkilenmeyen katot malzemesi koydunuz, onu belirli bir kapasitede kullanabildiniz, onun etrafında bunu vakum ve sıcaklıktan korudunuz, elektriksel sisteminizi de bu koşullarda tasarladınız. Tüm bunlar algoritmik bir düşünme sistemi ve operasyonel optimizasyon ile mümkün olabiliyor. Şu an için daha çok katı hal bataryaları araştırmalarda tercih ediliyor. Nedeni de basınç değişikliklerine daha az maruz kalması ve yüksek sıcaklıklara dayanım. 

Dünya’da ise LFP’nin düşük sıcaklık performansı çok iyi değil. Norveç’te, Kanada’da, özellikle İsveç’te bu tür sorunlar Tesla ile görüldü ve bunu şöyle çözmeye çalıştılar: bataryayı şarja götürdüğünüz zaman bataryanın önce ısıtılması söz konusu oluyor. Yüksek akımlarda da şarj edemiyorsunuz. Dolayısıyla size hızlı şarj diye bir imkan sunmuyor. Özellikle Lityum’da hızlı şarj soğukta çok büyük bir risktir. Bataryayı bir bombaya dönüştürür. Dolayısıyla şarjda sıfırın altına özellikle -15 °C’nin altına inilmesi çok sakıncalı. Dediğim gibi bunları kimyayı değiştirerek uygulamaya çalışıyorlar. Daha rahat eksi derecelere inebildiğimiz tip NCA’dır. Birçok eyalette bunları satarken farklı kimyasal batarya ya da ısıtma, rezistif plakalar gibi değişik teknolojilerle başka bir kaynakla, başka bir şarj istasyonuyla o aracı kurtarmaya kadar gidebilen tecrübeler yaşandı. LFP’yi düşük sıcaklık uygulamalarında biraz daha geliştirmeye çalışıyorlar. Sistem dizaynı ile çözümler burada daha çok öne geçiyor. Çünkü sıfırın 10-20 °C altındaki soğuklarda çok performanslı bir şekilde cevap verecek bir katot malzemesi değil şu an. Ama ileride belki çalışmalarla gelişebilir.

Interview with Şafak Doğu

Q-1: Could you share how your education in Chemical Engineering guided you toward the fields of batteries, energy storage, and conversion, and what factors influenced your decision to specialize in these areas?

A-1: Chemical engineering is actually a very broad field. There are many misconceptions, both historically and in terms of its development, similar to other fields. For example, while we often refer to “mechanical engineering,” the term “mechanics engineering” would be more accurate. This kind of conceptual misunderstanding can lead to different interpretations in various areas. Chemical engineering actually emerged from mechanical engineering. Historically, we see this development in several stages. After the Industrial Revolution, the rise of steam engines and the demand for engineers who could address specific technical needs led to the emergence of mechanical engineers with knowledge of chemistry. Since mechanics is a broad concept, previously also practiced by physicists, the advent of technology involving chemical reactions, transformations, and thermodynamics—where energy and heat are significant—showed that purely mechanical approaches and calculations were sometimes insufficient. As the process industry advanced, chemical engineering emerged in parallel with the search for deeper answers and the need for control over expanding areas. Therefore, chemical engineering is closely connected to electrochemical processes, which lie at the core of energy conversion, utilization, and the transformation of materials. This connection goes beyond just electrochemistry. Electrochemistry, which is a foundational field for both chemists and physicists, was shaped by the earliest theories proposed to understand the structure of the atom. Looking back in history, many scientists like Luigi Galvani, Alessandro Volta, Humphry Davy, and Michael Faraday were involved in electrochemistry and the formation of electrical currents in matter, which is fundamental to this field.

The prominence of energy storage, particularly in batteries, rose alongside the automotive industry. Therefore, the need for a scientific discipline that could understand the transformation of raw materials for chemical production, calculate costs, and design equipment and processes led to the evolution of engineering. The automotive industry is a critical sector in this field, impacting millions of lives globally and being a sector where costs cannot be easily overlooked. Hence, the engineering approach becomes an indispensable discipline. I started my education in this field, taking various courses that were divided into different specializations at the time. I believe these courses are beneficial. I don’t quite understand people who question where and how we will use the education we’ve received or what we’re doing with it. It largely depends on you. Particularly, chemical engineering is a field very close to and dominant in energy storage. As it is a discipline that studies both the principles of thermodynamics and the chemical reaction transformations involved, it can absorb and encompass all these aspects. Therefore, encountering courses, projects, and challenges related to energy conversion and electrochemical fundamentals early on is crucial for grasping nature’s predictions and making accurate judgments. You can start with some projects and progress with research in these areas in your final thesis. That’s what I did, and it significantly benefited me. I had a broad range of interactions with my professors and tried to engage with their projects. There was a strong interest in clean energy, which led us towards electrochemical fuel cells. Subsequently, the entire industry and research activities related to fuel cells and batteries began to cluster together. Therefore, orienting yourself towards current issues and keeping up with industrial developments can greatly aid in reaching this point.

Q-2: You have over 20 years of experience in the Electromechanical Energy Technologies sector. Can you share your career journey, starting from your first role as a Research Engineer at Yiğit Akü to your current position as the Product Development and Research Manager at Pomega?

A-2: Actually, I already gave a bit of an introduction to this question earlier. This journey develops somewhat according to the steps you take towards your goals and objectives. Essentially, the industry provides you with opportunities, and you need to act accordingly, but it’s important to be selective. If you’re selective and direct your experiences towards more specialized areas, you become more unique and indispensable. As a result, more people start seeking your expertise and knowledge. That was somewhat the case for me as well. During my university years, I was interested in the sub-disciplines of the industry that I wanted to be a part of. I consulted with my professors about who was involved in which projects and which areas were of interest. After participating in projects and developing myself, I sought to join the production and research activities led by industry leaders. Eventually, I transitioned into a more product-focused career within the industry.

In our country, there is a very clear line between academia and industry. This distinction is not as pronounced abroad, where there are more opportunities to bring together these environments and share resources. Industry support in those areas is at a high level. Honestly, I was fortunate in this regard. Although Yiğit Akü was not at the forefront of R&D activities at the time, the managers and owners there were very forward-thinking individuals. This provided me with many opportunities. I was able to gain almost equivalent opportunities to those abroad during the early years of my career, which is not easy to find in Turkey. There were steps taken by the government to support such activities, but these may have regressed since my time. There’s a shortage of experienced human resources in this field, and it’s inevitable that many of them go abroad, influenced by inexperienced managers. Globally, most R&D support comes from industry. Therefore, these developments should primarily originate from industry. The reason for the bottleneck in this process in Turkey is the lack of openness to contributions from forward-thinking individuals in the industry. Ultimately, fostering new technology is not something that can be achieved by one or a few companies; it requires the collective effort of stakeholders at all levels within the industry.

I believe I was fortunate in this regard. Beyond that, persistence is necessary. You need to pursue this work with determination. I always tell my colleagues, “If you want something, you need to work on it. As you do, whatever that goal is, it will come closer to you, and the more you work on it, the closer you will get.” As you continue to develop yourself in that area, professionals and networks around you will reach out to you with interest and various opportunities. Therefore, a mindset of perseverance is incredibly valuable. As I said, a bit of persistence, curiosity, and good fortune are all factors in this journey.

Q-3: As someone in a senior position with significant experience in the industry, what drives your excitement about working with young engineering students and fuels your passion for environmentalism?

A-3: Of course, as you progress in the field of engineering, there’s a natural shift from the technical aspects to more managerial roles, just as in other fields, which necessitates certain changes. This transition isn’t always easy. A successful engineer-turned-manager needs to not only bring their theoretical knowledge and practical experience into their leadership role but also keep up with technological advancements to identify industry needs and gaps. You’ll need to broaden the horizons of people in various new technical areas, guiding them through the challenges and turning points you’ve encountered along the way. It’s important to encourage them to consider that there might be alternative paths. Therefore, you must always be open to innovation and constantly stay informed about the latest developments. Especially in technical and engineering management, being equipped with this kind of background is crucial. Moreover, as long as you don’t stifle the excitement of young engineers and provide them with spaces where they can ask their curious questions, they will advance one, two, even three steps ahead of you. I’ve experienced this many times. Thus, my principle is that if you want to lead someone or a group, you need to consider what you can do for them, not the other way around! Because, at the end of the day, as a leader or a manager, it’s your responsibility to pave the way for them. Therefore, you should always think about how you can be more helpful. I believe that while we benefit greatly from young engineers, we may not contribute as much to them. Without their efforts and motivation, many things wouldn’t progress. And this isn’t just about the young; I’ve also encountered many older individuals who still possess that dynamism and enthusiasm. This is related to the path you choose to walk or the necessities life brings your way. I’ve never adopted a leadership style disconnected from the technical side, nor have I ever experienced such a shift in my life. I didn’t want to, and I don’t believe you can effectively manage a technical team without being grounded in the technical aspects. As I mentioned, there are two key pillars: one is to always be curious and engaged in research, and the other is to constantly think about how to motivate your team to become more curious and innovative. That’s what excites me the most.

Q-4: What kind of contributions does Pomega make to the industry in terms of R&D in electrochemical battery technologies? How do you establish a correlation between profit and innovation when planning to invest in a product?

A-4: This is closely related to industrial goals. If we outline a general roadmap, we can see that the industry today has a growing need for energy storage. Therefore, it’s natural that many companies across various sectors are eager to invest in this area. There’s strong demand from different markets and companies operating in this sector. Employing people with deep knowledge in this field and advancing along this path is crucial. Pomega is trying to take steps with this philosophy in mind. However, as we move forward with this vision, it’s also essential to closely monitor market changes. The energy storage sector has a unique challenge: while the market has many common global goals and requirements, it also faces local challenges due to regulations and logistical obstacles. Battery products, with current technologies, tend to lead to industrial clusters based on location. If you want to create cost-effective energy storage solutions, you need to be close to the market you’re serving. That’s why Pomega’s expansion into the U.S. market reflects this strategy. The U.S. is a significant market within Pomega’s targets, and in the near future, stationary energy storage (at the gigawatt-hour level) is expected to become more prevalent. This shift indicates that grid-scale energy storage products will become a priority, leading to cost-effective investments in this area. Investments in this field might even exceed the needs of the electric vehicle (EV) sector. While the EV sector has a larger volume, its expansion currently lags behind the growth of stationary applications. Therefore, there’s a need for large-scale energy storage projects like stationary applications. Meeting the requirements that diverge from mobility can only be achieved by properly targeting products and making design changes.

When we talk about change and innovation, this can occur at various stages. These stages might involve innovations in production, design, or even at the fundamental level in the chemistry and materials of the product, which are key determining factors despite not being directly involved in production. In this sector, investing in innovations to develop your technology is essential. Many companies focus on a single innovative component, but that’s not enough; this is a vast industry. It’s crucial for multiple companies to come together to contribute to the development of innovative products. As we set these targets, we need to focus more on where we can collaborate or how we can direct innovations towards integrated solutions that meet each other’s needs when combined. There are many opportunities to work together on research and production process development in joint projects. Of course, these efforts need to be financially supported as well. Speaking specifically about Kontrolmatik and Pomega, we’ve initiated collaborations with universities that focus on materials and design. For example, we’re working with a separator company on ionic conductivity and with a metal foil company to improve the electrical conductivity of electrodes. This is also how things developed in the EV sector. We try to undertake joint projects in various areas, guiding the innovations by setting production and technological application goals based on these projects.

Q-5: Can you discuss solar cell systems that can both generate and store energy at the same time, considering that solar is currently, and will continue to be, the cheapest form of energy production from renewable sources?

A-5: When discussing solar cell systems that both generate and store energy, several important considerations arise. The photovoltaic (PV) industry must address issues related to energy efficiency and production volume while also being mindful of production costs and environmental impacts. Currently, it’s not entirely accurate to say that the world is heavily investing in PV energy storage, although there is rapid market development driven by cost reductions from China. Significant investments are being made in places like Texas and California, but the global dispersion of production processes presents challenges. This distribution of PV technologies brings both advantages and regulatory scrutiny concerning environmental impacts and costs. At present, these issues are often overlooked. While Asian manufacturers meet a significant portion of capacity needs, they may reach a point where they cannot keep up. We expect substantial developments in the PV sector over the next few years, with potential fluctuations similar to those seen in the electric vehicle market. Although the energy from the sun itself is free, there are challenges associated with solar power. For instance, what happens when the sun isn’t shining? Can we use this free energy whenever we want? Therefore, photovoltaic systems alone cannot address all these challenges. The battery systems that complement PV technology are currently a leading supporting technology. However, the grid infrastructure is not yet capable of meeting this demand efficiently. Thus, investments in battery technology need to match the pace of PV investments. This context includes addressing questions about production costs and regulations, improving production technologies, and expanding the market to support auxiliary technologies. 

If we can develop a technology that allows a solar cell to both generate and store electricity simultaneously, it could represent a significant breakthrough. We previously conducted a study with ODTÜ GÜNAM on cost analyses and found that hybrid product technologies, when designed compactly for small and mobile applications, are not very cost-effective. Efficient usage requires conditioning the batteries, and despite high efficiencies, different temperature and climate conditions affect battery life, leading to degradation. Therefore, while we aim for long lifespans for PV systems, batteries often fall short. Mechanical difficulties also make it challenging to replace or upgrade batteries easily. Considering these factors, we concluded that compact systems might not develop significantly beyond small-scale applications. Hence, we decided to focus more on industry-specific applications.

Q-6: What are your predictions for how collaboration between energy storage and renewable energy technologies will evolve in the future, and what kind of changes do you think this collaboration will bring to the energy sector?

A-6: I’ve addressed this to some extent already. These are markets that need to coexist and complement each other. We will see partnerships at the industrial level, and government incentives are already emerging. Despite being closely related technologies and disciplines—engineers who understand each other’s operational conditions, technologies, and business environments—there is a shortage of technical personnel. I’ve emphasized this issue on multiple platforms, and it has particularly resonated in project meetings we’ve had in the U.S. I believe that both industries need to advance together and consolidate their human resources and technical capabilities. Therefore, I think that developing and nurturing talent, which is often the slowest aspect, should be a priority. PV and battery technologies can only progress effectively if they evolve together in this manner.

Q-7: Electrochemical batteries form the foundation of modern technology and serve as the primary power source for many devices we use in our daily lives. Does lithium have any special significance for electrochemical batteries? Could you explain?

A-7: Lithium is actually the first reactive element that comes after hydrogen. Hydrogen is a gas that releases the highest amount of energy when it burns. Following hydrogen, lithium, being a solid and easily storable within materials (essentially trapped), allows for the achievement of high energy and voltage values. In system designs, the voltage of the battery cell is very important. While the voltage value may be sufficient for some applications, it might not be enough for others. When you move from general telecommunications and lighting-related mobile applications to higher energy demands, or from a mobile phone to a laptop scale, you start to connect battery cells in series to increase the voltage. In this context, the higher the voltage of the cell you use, the fewer cells you need, which becomes crucial. We can say that lithium fills a significant gap in this regard. However, there are applications where even lithium is not sufficient.

The reason lithium is becoming more widely used is that it can be integrated with superior efficiency in terms of charge and discharge in electrode materials, outperforming other batteries by allowing energy to be reused more efficiently, in greater quantities, and more stably. Most other batteries deteriorate quickly and have a short lifespan because they evolve through conversion methods or chemical alloying processes. Lithium, in contrast, offers a much higher number of cycles and a longer lifespan. It can also withstand very variable operational conditions. This is because lithium has a relatively smaller ionic radius and can diffuse into many raw materials by forming chemical compounds, thus storing energy within them. The discovery of graphite was very important in the history of energy storage in lithium, as it allowed lithium to be stored safely even at low elemental energy levels.

Therefore, there is an ongoing search for materials that can support such a wide energy range, including sodium, potassium, and aluminum, as well as some interest in magnesium. However, the reactive nature of lithium and its usability in long-term operations with long cycle times make it almost irreplaceable. We conducted some research and tests on sodium in places where I previously worked, and we believe it might have complementary effects. However, due to its high cycle life and resistance to degradation, there is still no technology that can replace lithium.

Q-8: Electrochemical batteries offer significant advantages in terms of power density; however, their charging speeds are not up to the expected level. What approach could be taken to achieve charging speeds at least comparable to those of supercapacitors?

A-8: This demand is closely related to the increasing daily use of electric vehicles and mobile applications. Traditionally, lead-acid batteries are commonly used in the automotive industry. While they can deliver high currents, often several times their capacity, they can only do so for limited periods and with restricted storage capacities. This limitation is due to the inherent kinetics of electrochemical processes, which involve diffusion and reaction kinetics that typically occur in solid or liquid phases. Reactions in the gaseous phase require very different structures, high pressures, or gas diffusion layers in devices like fuel cells. These reactions also involve high-entropy phase changes. For example, in capacitors, you can transfer charge very quickly through electron layers, but you can’t expect the same behavior in electrochemical batteries because they involve handling much larger charge transfer types—atoms, ions, and events where molecular kinetics slow down and scale up. Therefore, it’s unlikely that electrochemical batteries will ever achieve the kinetics of an ultracapacitor or capacitor. Achieving such speeds would require an entirely new architecture, possibly at the nanoscale, which might allow us to push the boundaries of nature. However, the fundamental goal of electrochemical storage is to accelerate charging as much as possible within practical limits while also increasing capacity. In practical applications, this goal is measured in minutes, not hours, unlike in capacitors, where processes occur in seconds or milliseconds. Therefore, there’s a gap in technology where these two areas converge.

Lithium batteries are advancing significantly in filling this gap because the kinetic diffusion due to lithium ion’s attraction and bonding speed occurs much faster. Lithium’s ion intercalation, particularly in solid-state diffusion, happens rapidly, allowing for faster charge and discharge compared to what other batteries can achieve. While this doesn’t fully close the gap I mentioned, it offers more promise. Thus, the mobilization or storage of high energies in electrochemical battery technology, without compromising its principles, has been made possible by using lithium-ion batteries, which can be charged within hours rather than minutes.

There are also ionic batteries containing aluminum, potassium, and magnesium. However, their main issues include crack formation in the cathode material after around 100 cycles, reduced adhesion, decreased electronic conductivity, and blockage of actively used areas. When these factors are considered, while the advantages may be applicable for a specific use case, they are not economically viable for mass production. For example, silicon is one such material. Silicon or carbon-alloyed batteries can increase lithium storage capacity and speed, but after 50 cycles, the battery loses 90% of its capacity. Therefore, it’s essential to think holistically about battery technology, considering all parameters during development.

One of the most misunderstood aspects in this sector is the fast charging of cobalt oxides. Charging 80% of a lithium cobalt oxide battery within 15 minutes has been possible for about 30 years. This technology already exists. Recently, you may have heard a lot of news, particularly from China, where they claim to have made major breakthroughs almost weekly. They say they’ve improved features like charging speed, range, and resistance to different environmental conditions by tweaking some engineering system designs in vehicle technology. Many Asian companies, especially, play with parameters and definitions to create sensational advertising as if a major innovation has been made. They are imitating the approach taken by the West, particularly the U.S., 30 years ago. If you were to track these claims and compare them to what was said years ago, you would see that they have not made much progress, and you wouldn’t give them much credibility. Unfortunately, many people in our country blindly follow these claims, turning them into fake prestige and a source of income. They jump on the bandwagon without fully understanding the science and technology behind it, exaggerating the hype even further. The numbers given by these companies are often based on idealized scenarios. Achieving these results in real-world, large-scale systems is very unlikely, and some relative values are hidden behind numbers that make comparisons impossible. For example, Tesla’s range is advertised as 350 miles, but in real-world conditions, it’s around 270-280 miles.

When working on fast charging, it’s also important to consider other factors such as lifespan, cost, and how well the system can maintain these benefits. When you start fast charging a battery, heat becomes your biggest issue, and you need to dissipate it somehow, which increases the system’s complexity and size. You have to switch from air to liquid cooling, using microchannels, thermal films, or phase-changing materials. Consequently, the total system cost increases. As I said, if fast charging is the goal, it’s crucial to consider both the advantages in battery parameters and the cost and complexity at the system level. These are the current major challenges. As material kinetics are developed, other system parameters must also be taken into account.

Q-9: Recently, solid-state batteries (SSBs) that offer increased safety by reducing issues like combustion and explosion have been gaining attention. While they provide advantages in terms of safety, they also face challenges with diffusion, creating a trade-off. Does the industry thoroughly analyze these factors when developing batteries, or is it more about producing what is already available and capitalizing on market gaps for profit?

A-9: Some technologies, like those using materials such as NMC (Nickel-Manganese-Cobalt), NCA (Nickel-Cobalt-Aluminum), and LFP (Lithium-Iron-Phosphate), are well-established and mature. These types of batteries have developed specific classification maps that indicate which battery types are suitable for different conditions, such as high discharge rates (e.g., 10C, discharging at ten times the capacity rate). Although these maps provide useful information about materials, the overall system design still influences their performance. Many new startups aim to innovate in both cell design and materials.

Solid-state batteries (SSBs) emerged to address safety risks—like thermal runaway and explosions—associated with layered oxide structures in conventional batteries. Early lithium-ion cells used highly reactive lithium anodes, which posed significant fire risks. To mitigate these risks, the industry shifted to carbon anodes, thanks to Rachid Yazami’s work. However, safety concerns persisted, especially with layered oxide cathode materials prone to short-circuiting and thermal runaway.

SSBs use a solid electrolyte membrane to replace liquid electrolytes, potentially preventing these risks and allowing the reintroduction of lithium anodes, which could increase capacity. However, while this improves one parameter, it complicates others, such as diffusion rates, requiring very thin and precise production methods. Technologies like plasma reactors and Atomic Layer Deposition (ALD) are being used to develop these solid membranes. Yet, producing a fully solid-state battery with cost-effective manufacturing processes remains challenging.

Competition from other energy storage technologies, such as hydrogen storage and fuel cells, also impacts the economic viability of solid-state batteries. As costs decrease, these technologies become more feasible, leading to increased investment and research. However, the excitement around solid-state batteries is often fueled by hype, with many companies claiming breakthroughs that don’t always deliver. For example, some companies initially claimed to produce solid-state batteries but later admitted they were making semi-solid ones.

Companies like CATL, NIO, and others have explored solid-state batteries, often with automotive firms’ support, but they haven’t yet met expectations. Much of the current hype seems to come from marketing efforts, which sometimes exaggerate the technology’s maturity. In reality, true solid-state battery technology is still in its early stages, with most companies operating at Technology Readiness Levels (TRL) 3 or 4. Significant advancements are claimed to be just around the corner, but progress has been slow, and timelines often extend. Over the past 20 years, many similar claims have been followed by setbacks. Some announcements are made to attract investment or drive interest, but the true potential of solid-state batteries remains to be seen.

Q-10: Considering the electrochemical processes involved, the cost of lithium batteries seems reasonable at present. Despite the price of lithium raw materials spiking every four years or so, it remains unpredictable. Sodium, on the other hand, is expected to be cheaper than lithium. As an R&D manager, what do you think about the future of sodium-based batteries? Could they surpass lithium batteries in the market?

A-10: I recently conducted a study on sodium, not on a laboratory scale but on a product development scale. Sodium was actually a technology that had been worked on for a long time until lithium took priority. Preference shifted to lithium because higher capacities could achieve higher voltages. In system design, what you need is voltage. The higher your voltage, the fewer cells you need. When we talk about sodium batteries, we are actually referring to a very broad field. We need to specify that we are discussing “sodium-ion” batteries, which can be produced similarly to lithium and share its production processes. There are three main types of cathodes among these:

• Prussian Blue Analogues (PBA): Derived from Prussian Blue, this type highlights the cyanide crystal structure of PB. It is a material used more in the pigment industry but has proven to absorb sodium and has become the subject of further research.
• Layered Phases: Types of cathodes formed from layered phases like NMC (Nickel Manganese Cobalt) and LCO (Lithium Cobalt Oxide) where sodium can be intercalated between these layers. The sodium’s valence states can lead to various stoichiometric ratios.
• NASICON (Sodium Super Ionic Conductor) and Similar Catalysts: In more phosphate-based structures, sodium is better conducted. Although these have slightly lower voltages, they are reported to be safer, similar to LFP (Lithium Iron Phosphate) batteries.

If these three fundamental cathode chemistries are developed with the same production technologies as lithium-ion batteries, it could lead to products that can easily enter the market. In the U.S., leading startup companies recognized for sodium-ion battery technologies include Natron, Faradion, Altris, and AMTE. Therefore, the cathode materials they use can be produced with the same equipment as that used for lithium cell production. If production technology changes significantly, they may face the same challenges as lithium did in the past. Without scaling up and without a producer, production technology can become very expensive. Consequently, they are working on alternative technologies or materials. In this context, they are examining sodium’s performance. It is said that they can also produce lines that work with lithium, having reduced costs with minor adjustments. They are trying to develop it alongside lithium by entering the field that lithium has been in for decades. However, sodium needs to pass through various voltage profiles and plateaus, which is not the case with lithium, which can deliver all its energy at a stable and suitable potential instantly. Thus, the different potential steps of sodium complicate system designs. Additionally, you can use other anode materials with the decreasing voltage, but the decreasing voltage still reduces the energy density in the system, leading to the need for more cells. This ratio is around 20-25%. With its many advantages, it is still far from being a technology that could completely replace lithium. It can only be used as a supporting technology for hybrid systems in some high-capacity applications. There are also entirely different batteries specific to sodium. For example, there was a project called the Zebra battery many years ago, which you can check out. However, sodium-ion batteries are generally being developed by building on the process technology introduced by lithium-ion batteries, utilizing its advantages.

Q-11: Can you provide information about battery R&D companies that model chemical designs using artificial intelligence (AI) technologies and test these designs in a laboratory environment?

A-11: To put it this way, my PhD advisor had a postdoc supervisor in the U.S. who was a specialist in simulations, having worked on topics like atomic and electronic density and density functional theory (DFT). He had a project called Mosaic, from which he extracted large amounts of data. With the inclusion of artificial intelligence (AI), the project involved exploring various variations and predicting previously established structures. They could identify 15-20 candidate chemical compounds. The principles they apply often do not account for real-world manufacturability and may not be stable under certain conditions. It is very challenging to solve a single cell with all its possibilities and molecular dynamics within a computer. It doesn’t matter if these computers have massive processing capabilities like NASA’s. With quantum computing, such things might become more feasible. Looking at today’s context, producing a material involves a significant economic process. This includes raw material supply, experimental conceptualization, approval, mass production, and cost analysis extending to feasibility and equipment. Thus, simulations can support simple and basic research but do not provide definitive answers. These predictions must be verified in a laboratory environment with electrochemical processes and other components (membranes, electrolytes, anode, and cathode materials). There are larger-scale simulations related to these, but they all rely on experimental data. Chemical simulations are somewhat below this level, so there are many steps in between, and it is still quite slow. Computer technology struggles to provide quick responses to AI tools processing many parameters. Additionally, simulation outputs often include a lot of junk data. Such studies are being conducted for both sodium and lithium, but globally, not much funding has been allocated for this work. There is more funding for other applications where AI can have an immediate impact. It would be great if there were more focus on these areas, but there is a gap. This shows that computational approaches still have a long way to go in practical material research. If quantum computing succeeds, it could represent a significant leap forward in this field.

Q-12: In electric vehicles (EVs) and other sectors, lithium batteries are insufficient in meeting requirements such as long range and sudden power needs. Therefore, could alternative energy storage systems based on light, gravitational, or magnetic fields be more effective in meeting energy and power density demands in the future?

A-12: Actually, I won’t say much about lasers. I’ve worked with laser processes before, but using lasers for energy storage isn’t something I have focused on. As far as I know, lasers are more commonly used for material production processes in the field of energy storage. Regarding gravitational energy storage, there is a company called EnergyVault. They work on energy storage using electromechanical systems that lift weights with motors connected to rollers. Since the energy density of this system is not crucial, it is intended to be used safely for long periods in stationary environments without chemical pollution. However, from a cost perspective, the mechanical durability is significant due to the many moving parts involved. In addition, there are several startups working on “sand battery” technology, which stores thermal energy in sand. The appeal of these systems is gradually decreasing due to the exponential increase in total costs over time. Still, there are efforts to develop these alternative technologies. They claim that the cost advantage of long-term durability is a key feature, but how realistic this is remains to be seen. The more intermediate steps and transfer stages you add in energy conversion, the more energy you lose. Therefore, in the end, increasing production steps can increase the “Total Ownership Cost.” Although some of these systems might appear very cheap and attractive initially, they may not achieve the expected efficiency levels. These types of systems involve elements that take a long time to test, are time-dependent, and are difficult to characterize for wear. Consequently, batteries, which can be analyzed with reasonable predictions under higher degradation conditions, are a recognized and advantageous technology from a thermal perspective. Due to practical and industrial scaling conditions, electrochemical, electrical, and capacitive storage systems are generally considered to be more prominent. I can say that investments in technologies that add more conversion stages or even those that do not add more conversions are still at a lower TRL (Technology Readiness Level) without thorough cost analysis. Lithium-based batteries were also at a mid-level stage about 15 years ago. Producing lithium-based batteries was expensive, and scaling them up was a challenging but necessary process. Therefore, even if scaling up is very appropriate, it may take time, but it is a path you must follow. It is important to approach these challenges, especially the practical difficulties, thoughtfully. Solar, wind, and wave energy are leading sources of green transformation but require energy storage due to their intermittent nature. When it comes to storage, batteries and capacitors are the forefront technologies.

Q-13: Electrochemical batteries are currently most commonly used in land vehicles. How should material selection for these batteries be approached in terms of safety for different application areas (marine, aviation, and especially space), and what properties should the materials have? Additionally, what factors should be considered in the design of batteries intended for use in environments with extreme conditions like space?

A-13: On the Earth’s surface, improvements in battery packaging can generally address external factors like corrosion, mechanical impact, and thermal shock. However, in space or high-altitude environments, you are dealing with very wide temperature ranges (-230 to +120 °C) and low pressure, which involve extreme temperature fluctuations. In some cases, you may not need to manage pressure or other conditions because these batteries are used in pressurized environments where humans are present. Temperature effects are a problem on Earth as well, but they become even more challenging in space. Moreover, in space, you lack the environmental aids and control systems available on Earth. In such extreme conditions, the design of the battery must consider whether you can access it, perform maintenance, or replace it.

The French company Saft leads in battery production for these extreme conditions. Saft began as a consortium of accumulator manufacturers and has factories in the U.S. They produce “niche” batteries designed to withstand extreme conditions and use unconventional battery chemistries for these packs. They are also involved in producing batteries for Formula E race cars, satellites, military applications, and various other battery applications, all of which are expensive due to the low production volume and high costs. In these applications, temperature control and durability are crucial, and safety is paramount. For example, in space, if a high-temperature fire occurs, you can’t send someone to fix it, and a satellite costing millions of dollars cannot be retrieved. Thus, these parameters define the initial design requirements.

When focusing on safety, extreme temperature changes, and long-term use, you may need to explore different technologies beyond everyday practical use, such as fuel cells, which NASA started researching in the 1950s-60s for space shuttles. Regarding the use of lithium batteries in very low temperatures in space, the observed temperature on Earth can drop to -50 °C. At -20 °C, attempting to charge a battery, especially LFP (Lithium Iron Phosphate), results in a significant drop in potential and performance. This can lead to dendritic structures causing short circuits and potential explosions. Therefore, using such chemistries may not be feasible. For safety reasons, KHPs (Kalium Hydroxide Phosphates) might be more suitable as they provide high safety and performance over a wide temperature range.

Adapting technology to these conditions might involve using unconventional cathode chemistries, membranes (especially crucial in fuel cells), and possibly integrating other electrolytic systems or hybrid solutions to enhance capacity. Unmanned vehicles in space experience temperature changes ranging from -70 to +100 °C on Earth’s surface and -270 to +120 °C in near space. Materials must be improved for durability, and chemical structures should be designed to match reaction kinetics. Insulation components require extensive work, and an operational algorithm must be developed to work with the heat received from the Sun. Every possible solution must be applied, from high-temperature-resistant cathode materials to vacuum and temperature protection, and designing the electrical system to operate under these conditions. This involves algorithmic thinking and operational optimization.

Currently, solid-state batteries are preferred in research due to their resistance to pressure changes and high-temperature endurance. On Earth, LFP’s performance at low temperatures is not very good. Issues were observed with Tesla in Norway, Canada, and Sweden, where they addressed this by pre-heating the battery before charging. Rapid charging is not possible, especially in cold temperatures, which poses significant risks. Thus, charging below -15 °C is hazardous. They are trying to improve LFP for low-temperature applications by changing the chemistry. For instance, NCA (Nickel Cobalt Aluminum) is a type that can handle lower temperatures better. There have been experiences of using alternative chemical batteries or heating and resistive plates with different technologies to save vehicles. While LFP is being improved for low-temperature applications, system design solutions are currently more prominent because a cathode material that performs well below 10-20 °C is not yet available, although future research may bring advancements.

Röportajı yapanlar: Emine Gül Kurtal, Ant Efe Şimşek, Nehir Atabay