Hazırlayan: Burcu Gümüşcü, Düzenleyen: Uğur Dağ | Tarih: 22 Aralık 2018

Bugünün popüler lityum-iyon versiyonlarından daha iyi performans sağlayabilen alternatif pillerin üretilmesi araştırmacıların her zaman odağında olan bir konu idi. Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü (Caltech), NASA, Honda Araştırma Enstitüsü ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı gibi prestijli bilim kurumlarının ortaklaşa yürüttüğü bir projede, flor elementin negatif yüklü bir formu olan florür anyonu içeren şarj edilebilir piller geliştirildi. Pillerde anyonlarla çalışmanın hem avantajları hem de zorlukları bulunmakta, bunları yazının devamında sizlerle paylaştık.

Piller nasıl çalışır?

Piller kimyasal maddeler ile doludur. Bu kimyasal maddeler sayesinde pilin eksi ucunda elektron fazlalığı ve artı ucunda pozitif iyon fazlalığı bulunur. Elektronlar yük dengesizliğini eşitlemek için eksi uçtan artı uca hareket etmek isteyecektir, fakat bu hareket ancak pilin iki ucu birleştirildiğinde mümkün olabilir. iki uç arasındaki elektron hareketi sonsuza dek sürmez, eksi uç ve ve artı uçlardaki yük dengesi sağlandığında enerji üretimi durur, işte tam bu noktada pilinizin bittiğini fark edersiniz.

Pillerdeki farklı kimyasal maddeler elektrokimyasal reaksiyonlar oluşturarak farklı gerilimler üretebilir. Mesela, kuru pil olarak bildiğimiz çinko-karbon piller, lityum-iyon pillere göre daha güçsüzdür. Bu yüzden dizüstü hem daha güçlü hem de yeniden şarj edilebilir olan lityum-iyon piller tercih edilir. Caltech’ten kimya profesörü Thomas Miller, “Bir pili şarj etmek bir topu bir tepeye itmek ve sonra tekrar aşağı itmek gibidir, çünkü enerjiyi depolamak ve kullanmak arasında gidip gelirsiniz.” diyor. Bir pili şarj etmek için harcadığı enerjiyi ona geri verebiliriz. Mesela, bilgisayarınızı fişe taktığınızda şarj olmaya başlar. Bu esnada kimyasal tepkime ters yönde gerçekleşir, eksi uç kaybettiği elektronları geri toplarken artı uç da pozitif iyonlari geri toplar ve pili tekrar kullanmak mümkün olur. Fakat çinko-karbon pillerde ters tepkimenin oluşması için elektrik değil hidrojen gazı uygulanmalıdır. Bu yüzden kuru piller şarj edilemez.      

Yeni nesil florür pillerin avantajları

Lityum-iyon baterilerde artı yüklü lityum iyonları (katyonlar) elektrotlar arasında taşınırken, yeni çalışmada eksi yüklü florür iyonları (anyonlar) taşınır. 2006 yılının Kimya Nobel ödülü sahibi araştırmacı Elizabeth Atkins’e göre florür piller daha yüksek bir enerji yoğunluğuna sahip oldukları için uzun süre (bugün kullanılan pillerden sekiz kat daha uzun!) enerji sağlayabilirler. Ancak florür anyonu aşındırıcı ve reaktif bir madde olduğu için çalışması zor bir materyal. Mesela, 70’li yıllarda araştırmacılar katı ve sağlam materyaller kullanarak şarj edilebilir florür piller yapabilmişlerdi, fakat bu piller sadece çok yüksek yüksek sıcaklıklarda çalışabildikleri için günlük kullanımda yer bulamamışlardı. Bahsettiğimiz bu yeni çalışmada ise florür piller içlerine sıvı elektrolitler eklenerek oda sıcaklığında kolayca çalıştırılabiliyor. Bu sıvı materyal, pil içindeki elektronları ileri ve geri hareket ettirebilen, böylece florür iyonunun daha kararlı kalmasına yardımcı olan, BTFE (bis (2,2,2-trifloroetil) eter) adı verilen bir elektrolit.

Daha uzun dayanan bir batarya için daha fazla sayıda yük taşımanız gerekir. Üzerinde çok yük bulunduran metal katyonlarının elektrotlar arasında taşınması zordur, diğer yandan daha hafif olan tek yüklü anyonların elektrotlar arasında hareket etmesi çok daha kolaydır. Florür, tek yüklü bir anyon olarak, yüksek voltajlarda bile elektrotlar arasındaki iyon taşınmasını sağlayabilecek özellikte bir materyal olduğu için yeni nesil pillerde kullanılmak üzere değerlendiriliyor.

Kaynaklar: