Elektrik enerji depolama sistemleri (EEDS) elektrik enerjisinin kullanımı ve tüketimi arasındaki uyuşmazlığın giderilmesi için büyük önem arz etmektedir. Depolama sistemleri için araştırılan çeşitli pil teknolojileri arasında redoks akışlı piller (RAP) yüksek iyonik iletkenlik ve düşük maliyet sebebiyle gelecek vaad etmektedir1.
Yeşil enerji üzerinde derin etkisi olacak piller; yenilenebilir enerjinin sadece üretildiği zaman değil, depolanıp ihtiyaç duyulduğu zaman da kullanılmasını sağlayacaktır. Jiang ve Cincinnati Üniversitesi pillerde depolanan yenilenebilir enerjinin yaygınlaştığı bir gelecek üzerine çalışmıştır. Güneş ve rüzgar enerjisi çiftliklerinin ihtiyaç duyduğu, enerjiyi depolayan yeni bir pil geliştirmişlerdir. Tasarımları Nature Communications dergisinde yayınlanmıştır2.
Redoks akışlı pil (RAP), yüksek çalışma voltajı ve enerji yoğunluğu sebebiyle gelecek vaat eden EDS sistemleri olarak dikkat çekmiştir. RAP geleneksel su içeren redoks akışlı pillere alternatif bir sistemdir. RAP’ler sulu ve susuz redoks akışlı pil olarak iki türe ayrılır. Sulu RAP’ler, hızlı reaksiyon kinetiği, düşük maliyetli oluşu, yanmazlık ve yüksek iyonik iletkenlik gibi avantajlara sahiptir.
Elektrolitlerde hücre içerisindeki direnç kayıplarını en aza indirmek için düşük akım yoğunlukları kullanılmaktadır. Bu nedenle mevcut susuz RAP’lerin güç yoğunlukları, sulu RAP’lerde karşılaştırıldığında çok düşüktür3.
Araba akülerinde sülfürik asit ve su karışımı bulunur. Kullanılan malzemeler kolay tedarik edilir ancak endüstriyel ve büyük ölçekli kullanımlarda bazı dezavantajları vardır. Düşük enerji yoğunluğuna ve elektrokimyasal kararlılık için düşük bir eşiğe sahiptirler. Jiang “Suyun bir voltaj sınırı vardır. Sulu bir bataryanın voltajı 1,5 voltluk kararlılık penceresini aştığında, su ayrışabilir veya patlayıcı olan hidrojen ve oksijene bölünebilir” dedi. Olası bir patlamadan kaçınmak için Jiang ve öğrencileri yaklaşık 4 voltta çalışabilen susuz pil geliştirmiştir.
Sulu RAP’lerlde anot ve katotta çözücü olarak su kullanılır. Kayda değer ilerleme ve ticaretleştirilmelerine karşın bu tip piller iki ana soruna sahiptir. Elektrokimyasal aralıklar nedeniyle dezavantajları vardır. Elektrokimyasal potansiyel (voltaj) aralığı 1,23 V ve enerji yoğunluğu 20-50 Wh/L olarak belirlendi. Buna karşılık susuz RAP’ler (SRAP), 6 V’ye kadar daha geniş bir elektrokimyasal pencere ve potansiyel olarak daha yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir.
SRAP’ler aynı zamanda yaygın olarak bulunabilen çözücülerin ve destekleyici elektrolitlerin kullanılabilmesi bir dizi redoks aktif bileşiğin kullanımına izin verir. Ancak SRAP’lerin gelişimi; kritik öneme sahip iyon seçici membranların sınırlı bulunması, sulu olmayan elektrolitlerin düşük iyonik iletkenliği ve bu malzemelerin yüksek maliyetleri nedeniyle olumsuz yönde etkilenmiştir.
Bu temel sıkıntıların giderilmesi için SRAP’lerde iyon seçici membranlara alternatif olarak uygun maliyetli maddeler kullanılmıştır. Yüksek akım yoğunlukları sergileseler de sistemin düşük Coulomb verimliliği ve deşarj gibi dezavantajları vardır. “Membranlar çok pahalı, daha düşük maliyetle performansı artıran yeni bir tür enerji depolama malzemesi geliştirdik. Pozitif ve negatif yükleri tamamen ayıramıyorlar, bu yüzden her zaman kesişme oluyor” diyen Jiang membranların verimsiz olduğunu söyledi.
Bu nedenle araştırmacılar membransız bataryalara yönelik çalışmalara başladı. Bu mikroakışkan piller yalnızca mikro ölçekte gerçekleştirilebilir ve büyük ölçekli enerji depolama için uygun değildir.
Günümüzde ise membransız bataryaların yapımı için birbirine karışmayan elektrolit bazlı sıvı-sıvı bifazik* sistemlerden yararlanılmaktadır. Sistemin sıvı-sıvı arayüzü katolit ve anoliti ayırıp doğal bir bariyer işlevi görerek membran gereksinimini ortadan kaldırmaktadır. Bifazik membransız bataryalar daha yüksek güç ve kapasiteye sahip bataryaların tasarlanmasına imkan sağlamaktadır.
Jack McGrath membransız batarya yapımının ardından “Bir bataryada ön maliyetlerin büyük bir bileşeni olan membranı ortadan kaldırmayı başardık. Bu, batarya maliyetinin %30’una tekabül ediyor.” dedi.
*Bifazik: Akım genliği ve yönünün periyodik olarak değiştiği çift yönlü olan pozitif ve negatif iki faza sahip olma.
Kaynaklar