Bataryanın Kimya ile Doğuşu
Dünyaca ünlü Kimyager ve Mühendis Alfred Nobel’ün vasiyetinde, ismini taşıyan ödüllerin, insanlığa en büyük faydayı sağlayanlara verilmesi gerektiğinin belirtilmesine rağmen, bilim ödüllerinin genellikle daha soyut, derinlemesine ilerlemeler kaydeden kişilere veriliyordu.
Ancak geçtiğimiz yıllarda ilk defa ödül amacına yönelik bir kimya çalışmasına verildi. Üç araştırmacı—ikisi Amerika'dan, biri Japonya'dan—lityum-iyon bataryayı geliştirdikleri çalışmaları nedeniyle ödüllendirildi. Böylece kimyanın yenilenebilir enerjideki yerine başlangıç noktası konmuş oldu.
Lityum-iyon bataryalar, hafif ve şarj edilebilir olmaları nedeniyle hayatımızda önemli bir yeri bulunmaktadır. Mobil telefonlardan tabletlere, dizüstü bilgisayarlara ve elektrikli arabalara kadar her yerde yaygın olarak kullanılmaya başlandılar. Ayrıca, artık fosil yakıtları hayatımızdan çıkartarak, rüzgar ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir kaynaklar tarafından üretilen kesintili mevcut enerjiyi depolamada da kullanılmaktadır.
Lityum, periyodik tabloda en hafif metal olup (su üzerinde kısa sure yüzer çünkü en reaktif metallerden biridir ve hızla lityum hidrokside dönüşür) atomları üç elektrona sahiptir. İki elektron, çekirdeğine sıkı bir şekilde bağlıdır ancak üçüncü elektron kolayca yerinden çıkarılarak pozitif yüklü bir lityum iyonu oluşturur. Lityumdan ve iyonlarından bir batarya yapma çalışmalarının başlangıcı 1970'lere dayanmaktadır; o dönemde dünya petrol kriziyle sarsılmıştı. Büyük bir petrol şirketi olan Exxon, petrol dışındaki enerji kaynaklarını geliştirme üzerinde çalışıyordu ve bu ödül sahiplerinden biri olan Stanley Whittingham, o sırada firmanın araştırma bölümünde çalışıyordu.
Potansiyel süper iletkenler üzerinde araştırmalar yapıyordu. Özellikle, atom boyutunda boşluklar içeren katı malzemelere ilgi duyuyordu. İyonlar bu boşluklara girdiğinde (interkalasyon) katı malzemenin bazı özellikleri, mesela iletkenlikleri değişiyordu. Dr. Whittingham, lityum iyonlarının titanyum disülfid olarak adlandırılan bir maddeye interkalasyona girdiğinde, ikisi arasındaki etkileşimin faydalı bir miktar enerji depoladığını keşfetti.
Metalik lityumu anot, titanyum disülfidi de katot olarak kullanarak, oda sıcaklığında çalışan şarj edilebilir bir batarya inşa etti. Bu bataryada, anot üzerindeki lityum iyonlaştırılıyor. Bu şekilde üretilen iyonlar, ardından anottan geçerek bir elektrolit aracılığıyla titanyum disülfid katotundaki boşluklara hareket ediyor. Bu arada, serbest kalan elektronlar dış bir devre üzerinden geçerek, elektrik akımı oluşturuyordu. Şarj döngüsü sırasında, dış akım tersine dönerek, lityum iyonları, elektrolite karşılık vererek geri hareket etmekteydi.
Başlangıçta Exxon, bataryanın büyük bir potansiyele sahip olduğunu düşünüp bunu ticarileştirmeye karar verdi. Ancak petrol fiyatları düştüğünde şirket ilgi kaybetti. Bu sırada, aynı yılın kimya ödülü sahiplerinden ikincisi olan John Goodenough, Oxford Üniversitesi’nde çalışıyordu ve bu fikri keşfettiğinde bunun üzerinde geliştirme yapmaya karar verdi. 1980’de katot içindeki titanyum disülfidi kobalt oksit ile değiştirdiğinde, çıkış voltajını iki katına çıkarabileceğini buldu.
Üçüncü ödül sahibi Akira Yoshino, Dr. Goodenough’un fikrini alarak, dünyanın bilgisayarlarının ve telefonlarının içinde bulunan modern bataryayı dönüştürdü. 1980'lerde, Japonya'daki Asahi Kasei Corporation'da çalışırken, elektronik şirketlerinin video kameralar ve kablosuz telefonlar gibi yeni elektronik cihazları beslemek için hafif bataryalara olan ilgisinin giderek arttığı bir dönemdeydi. Dr. Yoshino, Dr. Goodenough’un katotundan memnundu, ancak anotun yeniden tasarlanması gerektiğini düşündü. Lityum yerine, lityum iyonlarını tutabilecek çeşitli karbon bazlı malzemeleri denedi. Bu malzemenin, lityum iyonlarını bol miktarda tutabileceğini keşfetti.
Tasarımı, saf bir lityum anot kullanmaktan daha güvenli olduğu gibi daha uzun ömürlüydü.
Dr. Yoshino’nun batarya versiyonunda, hem anot hem de katot uzun bir ömre sahipti çünkü batarya kullanıldıkça veya şarj edildikçe kimyasal reaksiyonlardan dolayı zarar görmüyordu. 1991 yılına gelindiğinde, Dr. Yoshino’nun tasarımına dayanan ilk lityum-iyon batarya bir elektronik şirketi tarafından ticarileştirildi.
Ödülün verildiği günlerde yapılan bir basın toplantısında Dr. Yoshino, araştırmalarını 1980'lerde tamamen kendi merakı için sürdürdüğünü, icatlarının bir gün yararlı olup olmayacağı hakkında fazla düşünmeden bunu yaptığını söyledi. Lityum-iyon bataryasının sonraki (ve devam eden) önemi göz önüne alındığında, Dr. Yoshino’nun merakı, Nobel’in vasiyetini harfi harfine yerine getirmiş oldu.
Elektrik şebekelerinin yenilenebilir enerjiye bağımlı bir şekilde karbonsuzlaştırılması, uzun süreli enerji depolama gerektirir.
Uzun süreli enerji depolama alanında devrim yaratmayı hedefleyen teknolojiler, gerektiğinde saatler, günler veya haftalar boyunca büyük miktarlarda elektrik sağlayarak kesintili yenilenebilir enerji kaynaklarının zayıf noktalarını gidermekte büyük bir rol oynamaktadır. Özellikle fosil yakıt veya nükleer santral bulunmayan sistemler için bu tür depolama çözümleri kritik öneme sahiptir. Ancak, uzun süreli enerji depolama için büyük bir kapasiteye ihtiyaç vardır. 2040 yılına kadar net sıfır emisyona ulaşmak için yüksek yatırım maliyeti bulunmaktadır.
Sistemin 1,5 - 2,5 TW enerji sağlayabilmesi ve 85 - 140 TWh depolayabilmesi gerektiği vardır. Kıyaslama yapmak gerekirse, Amerika'nın toplam elektrik üretim kapasitesinin şu anda yaklaşık 1,1 TW olduğunu belirtmekte fayda var; 140 TWh ise Avrupa Birliği'nın yıllık elektrik tüketiminin yaklaşık %5'ine denk gelmektedir. Bu devasa rakamlar, ancak yeterli yatırımlarla ulaşılabilir. Rüzgar ve güneş enerjisi kaynakları, seri üretimle ve teknoloji ile yüksek verim artışındadır.
Yenilenebilir enerji kaynak ve batarya kullanımı artarak, 2030'da dünyanın sahip olmasını hayal ettiği terawatt-saatlerin çoğunu oluşturacakları öngörülse de, elektrikli araç (EV) patlamasının dezavantajları da kendini belli etmeye başlıyor. Birincisi, lityum arzında çeşitli kısıtlamalar bulunuyor ve yeni madenlerin açılmasıyla birlikte, gelişen EV endüstrisinin büyük ölçüde bu arzı tüketme tehlikesi var.
Bunun yanı sıra, EV'lerde ihtiyaç duyulan batarya teknolojisindeki gelişmeler, şebeke ölçeğindeki depolama için gerekli olanlardan farklı. Arabalar, enerjiyi mümkün olan en küçük ve hafif formda depolayan bataryalara ihtiyaç duyar ve farklı koşullarda çalışırlar. Depolama ise ağırlık veya hacimle pek ilgilenmez.
Lityumun katı metal olarak kullanıldığı bataryalar gibi, elektrikli araç üreticilerini heyecanlandıran gelişmeler, depolama uzmanları için odak noktası konumunda bulunmuyor. Depolama uzmanlarının tercihi olan uzun süre kullanılmadan durabilme yeteneği, otomobil üreticileri için yalnızca geçici bir ilgi alanı. Genel kanı olarak, yenilenebilir enerji penetrasyonu arttıkça gelecekte ortaya çıkması muhtemel arz-talep dengesizlikleriyle başa çıkmak için gerekli elektrik hacimlerini depolanama düşüncesi üzerine , uzun süreli depolama için yenilikçi yaklaşımlar ile bu boşluk doldurulabilir.
Yenilikçi yaklaşımla süreçler dört gruba ayrılabilir: mekanik, elektro-kimyasal, termal ve kimyasal.
Mekanik depolama, pompaj depolamalı hidroelektrik (PSH) ile domine edilmektedir. Bunun dışında , gazı basınç altında depolamak bir seçenektir. Diğer bir seçenek ise büyük katı bloklarla, PSH'nın suyla yaptığı şeyi yapmak, enerji ucuzladığında bunları vinçlerle yükseğe kaldırmak, ihtiyaç duyulduğunda oluşturan bir makaraya ile indirmektir.
Farklı metal ve kimyasallar arasındaki voltaj farkları, elektro-kimyasal depolama olarak bilinir. Elektro-kimyasal bataryalar yüzyıllardır kullanılmaktadır, ancak birçok araştırmacı yenilikçi tasarımlar ve malzemelerin yeni olanaklar sunduğunu düşünmektedir. Amerika’da lityum bataryalarda kimyasal çalışmalar yapılarak ve yapay zekayı kullanarak yüz binlerce potansiyel batarya malzemesini incelenmeye devam ediyor.
Termal bataryalar, kimyasallarını dış tanklarda depolarak, şarj ve deşarj sırasında kimyasalları bataryadan pompalar. Daha büyük tanklar, daha fazla enerji depolamanıza olanak tanır. Bu, bir dizüstü bilgisayar veya bir araba için kullanmak üzere çok hacimli oldukları için uygun olmasalar da, şebekede kullanım için uygun olacaktır.
Oregon'da bulunan ESS, demir ve tuz gibi yaygın olarak bulunan malzemeleri kullanan bir akış bataryası üretmektedir. Şarj sırasında tuzlar, elektrot üzerinde demir tortularına dönüştürülür; deşarj sırasında ise demir çözülerek depolanan kimyasal enerji, elektrik yüküne dönüştürülür. Tesla'nın enerji depolama bölümünden bir kurucu olan Form Energy de demir kullanmaktadır. Yıkama makinesi büyüklüğündeki cihazları, deşarj sırasında havadan oksijen alır ve demire dönüştür.
Çinde Bilim ve Kimya ne yönde seyrediyor..
Çin , bitki biyolojisinden, kimya ile çevre bilimlerine, süper iletken fiziğinden , güneş panelleri hücre teknolojisine kadar geniş perspektifiyle, dünyaya teknolojik açıdan liderlik ederek, bilimin ön saflarında yer alıyor. Çinli kimyagerler, sürdürülebilir çevreci yaklaşımla teknolojide bir adım sonrasına geçerek, özel bir membran kullanımıyla deniz suyundan hidrojen çıkarma konusunda yeni bir yöntem geliştirdiler. Böylece bu yöntemle, saf su ayrıştırılabiliyor ve ardından elektrolizle bölünebiliyor.
Bilim insanları, Çin Hükümeti ile iş birliği yaparak, ülkenin güneydoğusundaki kıyıda bir pilot yüzer hidrojen çiftliği geliştirdiler. Ancak yeni gelişmeler, Çin dışı ülkelerin baskısıyla, Çin'de Batı'ya göre daha yavaş yayılıyor. Ancak güçlü sanayi altyapısı, ucuz enerji, fiziksel yenilikler ile malzemelerin büyük ölçekli üretimini hızla gerçekleştirebiliyorlar. Buda Çin'in Batılı ülkelere karşı bir avantajı elde etmesini sağlıyor. Ayrıca yeni malzemeleri keşfetmek içinde yapay zekayı kullanıyor. Ülke, bilimsel yeteneklerini daha belirgin şekillerde de kullanıyor.
