Günümüzde dizüstü bilgisayarlarımızda, cep telefonlarımızda kullanılan en popüler piller lityum-iyon türü olanlar. Bunun sebebi, tekrar doldurulabilen diğer pillere göre daha hafif olmaları ve daha çok enerji depolayabilmeleri. Ancak, daha iyi performans sağlayabilecek pillerin arayışı geçmişten beri sürekli  devam etmekteydi. Bu arayışın sonucunda Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü (Caltech), NASA, Honda Araştırma Enstitüsü ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı gibi prestijli bilim kurumlarının ortaklaşa yürüttüğü bir projede, lityum-iyon pillerden 8 kat daha uzun ömrü olan florür piller  geliştirildi. Peki ya bu piller nasıl çalışıyor? Florür pilleri kullanmanın avantaj ya da dezavantajları var mı?

Piller nasıl çalışır?

Pillerin temeli, kimyasal enerjinin elektriksel enerjiye dönüştürülmesine dayanır. Bu nasıl olur peki? Pillerin içine eklenen kimyasal bileşenler sayesinde elektronların veya iyonların pilin bir ucundan diğerine akışı, yani elektrik akımı elde edilir. Pilin içinde bulunan 3 önemli bileşen şunlardır: farklı metallerden oluşan ve elektrot adı verilen iki ayrı uç (eksi ve artı yüklü uçlar) ve bu uçlar arasında elektron ve iyon akışına izin veren, elektrolit dediğimiz sıvı [1]. Kuru pillerde (marketten aldığımız çubuk piller veya çinko-karbon piller) elektrolit sıvısı yerine katı kimyasallar kullanılır ve elektrik akımını iyonlar yerine elektronlar sağlar. Eksi uçtaki metalde elektron fazlalığı bulunurken diğerinde pozitif iyon fazlalığı bulunur. Artı ve eksi uçları birleştirdiğimizde, yani pili bir elektronik aletin haznesine yerleştirdiğimizde, eksi uçtaki metal elektron salmaya başlar ve bunu artı uçtaki metal kabul eder. Böylelikle elektrik akımı için gerekli devre tamamlanmış olur [2]. İki uç arasındaki bu hareket sonsuza dek sürmez, eksi uç ve artı uçlardaki yük dengesi sağlandığında enerji üretimi durur, işte tam bu noktada pilinizin bittiğini fark edersiniz.

Meraklısına not
Peki, iyon ne demektir? Iyonlar serbest haldeyken nasıl hareket ediyor? Bu soruların cevabını “iyon kanalları aracılığıyla iyon taşınımı” adlı yazımızda bulabilirisiniz.

Pillerdeki farklı kimyasal maddeler elektrokimyasal reaksiyonlar oluşturarak farklı güçte elektrik akımları üretebilir. Mesela, kuru pil olarak bildiğimiz çinko-karbon piller, lityum-iyon pillere göre daha güçsüzdür [3]. Bu yüzden dizüstü bilgisayarlarda hem daha güçlü hem de yeniden şarj edilebilir olan lityum-iyon piller tercih edilir. Caltech’ten kimya profesörü Thomas Miller, “Bir pili şarj etmek (enerjiyi depolamak) ve sonrasında kullanmak (enerjiyi kullanmak) bir topu bir tepeye itmek ve sonra tekrar aşağı itmek gibidir” diyor. Bir pili şarj ederek 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 iyonları geri toplar ve pili tekrar kullanmak mümkün hale gelir. Fakat kuru pillerde ters tepkimenin oluşması için elektrik değil hidrojen gazı uygulanması gerekir. 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 [4]. 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 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 [5].

Daha uzun dayanan bir pil üretmek için daha fazla sayıda anyon veya katyon taşımanız gerekir. Piyasada bulunan pillerde olduğu gibi 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 güçteki elektrik akımlarında bile elektrotlar arasındaki iyon taşınmasını sağlayabilecek özellikte bir materyal olduğu için yeni nesil pillerde kullanılmak üzere değerlendiriliyor.

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

Kaynakça

[1] “Pil Nasıl Çalışır?”, 19 Aralık 2018’de  http://uyduhaberlesme.com/pil-nasil-calisir/ adresinden ulaşılmıştır.
[2] “Pillerin Çalışma Prensibi ve Pil Çeşitleri”, 19 Aralık 2018’de https://www.elektrikce.com/pillerin- calisma-prensibi-ve-pil-cesitleri/ adresinden ulaşılmıştır.
[3] G. L. Bertrand, “About batteries”, [Piller hakkinda], 19 Aralık 2018’de https://web.mst.edu/~gbert/BATTERY/battery.html adresinden ulaşılmıştır.
[4] W. Clavin, “Focusing on the negative is good when it comes to batteries”, [Akü söz konusu olduğunda negatife odaklanmak iyidir],  19 Aralık 2018’de https://www.sciencedaily.com/releases/2018/12/181206141209.htm adresinden ulaşılmıştır.
[5] V. K. Davis, C. M. Bates, K. Omichi, B. M. Savoie, N. Momčilović, Q. Xu, W. J. Wolf, M. A. Webb, K. J. Billings, N. H. Chou, S. Alayoglu, R. K. McKenney, I. M. Darolles, N. G. Nair, A. Hightower, D. Rosenberg, M. Ahmed, C. J. Brooks, T. F. Miller, R. H. Grubbs, S. C. Jones, “Room Temperature Cycling of Metal Fluoride Electrodes: Liquid Electrolytes for High Energy Fluoride-Ion Cells”, [Metal Florür Elektrotlarının Oda Sıcaklık Döngüsü: Yüksek Enerji Florür-İyon Hücreleri için Sıvı Elektrolitler], Science, 362, 1144-1148. 2018.

Görsel kaynak
https://pixabay.com/en/batteries-loading-icons-set-flat-1379208/