Katı Hal Piller Ticarileştirme Yolunda İlerliyor
Fotoğraf: Ilika’nın katı hal pilleri, bir buhar çökeltme işlemi kullanarak bir silikon gofret üzerinde yapılır.
Katı hal bataryalar, henüz ticari anlamda belirli bir olgunluk derecesine ulaşmamış olmasına rağmen, ticari kullanımına çok sıcak bakılmaktadır. En ünlü savunucuları arasında bulunan Toyota firması, 2022 yılına kadar elektrikli araçlar için katı-hal bataryaları ticarileştirmeyi hedeflemektedir.
Toyota’ya rakip olan diğer otomobil firmaları, benzinli ve dizel motorlu araçlara yönelik alternatif sıfır emisyonlu araç üretmek üzere ilgilenen hükümetlerin bu alandaki isteklerini acil olarak yerine getirmek için Toyota firmasının bu alanda yapmış olduğu çalışmaları yakından takip ediyorlar. Örneğin BMW, daha güvenlikli ve daha yüksek enerji yoğunluklu batarya üretimi sözü verdiği için, katı-hal bataryaların gelişimi ile yakından ilgilendiklerini belirtti.
Lityum iyon teknolojisini temel alan günümüzün son teknolojik bataryaları, 25 yıldan daha fazla süre önce ticari olarak kullanılmaya başlandığından beri enerji ihtiyacını karşılama konusunda mükemmele yakın oldukları bilinmektedir. Ancak ticari lityum iyon bataryalar hem ağır hem de ara sıra patlama ve yanmalara rastlanmaktadır (En yakın en bilinen örneği; Geçen yıl Samsung’un Galaksy Note 7 sürümündeki bazı telefonlarda meydana gelen yanma ve patlamalardır). Katı hal pil üreticileri, yanma özelliği bulunan sıvı elektrolitleri, lityum-iyon pillerden çıkarıp yerine katı elektrolit kullanarak daha güvenli, daha kompakt ve daha yüksek kapasiteli enerji depolama aygıtları dönemini başlatmayı umuyorlar. Ancak bu konuda biraz daha sabırlı olunması tavsiye edilmektedir. Birkaç istisna dışında, Fransız nakliye şirketi Bolloré Group’un katı polimer elektrolit pilleri gibi, katı hal piller, çoğunlukla internet bağlantısı olan düşük güçlü sensörler için piyasaya sürülüyor. Ilika, Front Edge Teknoloji ve Cymbet gibi firmalar olabildiğince az sayıda küçük pil üretiyorlar. Fakat, bu firmalar katı-hal bataryaların elektronik, cep telefonu ve araba gibi elektronik tüketici sektöründe geniş sayıda üretilebilmesi için daha uzun zaman geçmesi gerektiğini vurguluyorlar.
Toyota’nın bu konudaki tutkusunun ötesinde, ID TechEx danışmanlık firmasından bir teknoloji analisti olan Lorenzo Grande, katı-hal bataryaların büyük bir atılım gerçekleşmedikçe batarya alanında yedek bir oyuncu olarak kalacağını söylemektedir. Lorenzo Grande’ e göre, Lityum iyon pil satışları, 2027 yılına kadar dünya çapında 100 milyar dolara ulaşacak ve bu katı hal piller için sadece 7 milyar dolara karşılık gelmektedir. Münster üniversitesinde batarya bilimi eğitimi almış araştırmacı Grande, pillerin tanım gereği dengesiz sistemler olduğunu ve enerji depolamada yapılacak herhangi bir iyileştirmenin, güvenlik sorunları ile birlikte ele alındığını söylemektedir. Ancak, Grande, katı hal elektrolitleri olan pillerin, solventsiz oldukları için doğal olarak daha güvenli olabileceğini savunmaktadır.
Katı hal pillerdeki potansiyel olarak daha fazla emniyet marjı, bazı büyük firmaların ilgisini çekmektedir. Bu nedenle, 2013 yılında Apple, katı hal pil geliştiricisi ‘Infinite Power Solutions’ firmasını satın alırken, 2015 yılında kablosuz elektrikli süpürge üreticisi Dyson, Michigan Üniversitesi kuruluşu olan Sakti3′ firmasını satın aldı. Kurucusu James Dyson geçtiğimiz günlerde, katı hal pilli bir araba geliştirmeye 2.7 milyar dolar harcayacağını söyledi. Yine aynı yıl içerisinde, otomobil bileşenleri üreticisi Bosch Group, katı hal teknolojisi Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuarı’ndan lisans alan Seeo’yu satın aldı.
Toyota’nın katı hal piller geliştirmesine yardımcı olan bir malzeme araştırma şirketi olan Ilika, pek çok otomobil üreticisinin 10 yıldır katı elektrolit teknolojisi üzerinde çalıştıklarını söylemektedir. Ilika’nın CEO’su Graeme Purdy, ‘Toyota’nın lityum iyon pillerde kullanılan yanıcı sıvı elektrolitle iletken seramik malzemenin yer değiştirileceği’ vizyonuna sahip olduğunu söylemektedir.
Bataryalar, İnternet eşyalarında kullanılan küçük sensörler için sabit bir enerji kaynağı sağlamak amacıyla güneş enerji sistemleri gibi enerji tüketimine uyum sağlayacak şekilde tasarlanmaktadır. Purdy, şirketin amacının “katı hal pillerin kapasitelerini desteklemek üzere, hacim kazanmak ve büyümek” olduğunu söylemektedir. Bu amaçlar arasında uzun ömür, yüksek sıcaklıkta çalışabilme özelliği ve genellikle lityum iyon pillerin çalışamadığı istenmeyen ortamlarda çalışabilen piller üretmek bulunmaktadır.
Katı Hal Piller, Geleneksel Lityum İyon Pillere Kıyasla Birkaç Artıya Sahiptir
10 Start-ups to watch Solid Power firmasında CEO olan Douglas Campbell, şarj edilebilir pillerle uğraşan herkesin katı hal teknolojisine yatırım yaptığını söylüyor. 2012 yılında, Colorado Üniversitesi’nden vadeli bir şirket olan A123 tipi pil üreten Boulder, yatırımcılarına senede 15 milyon dolar kazandırıyor.
Solid Power, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarından lityum kükürt elektrolitleri portföyünü lisansladı. Campbell, bu teknolojiyi temel alarak, kendi katı lityum-sülfit elektrolitini geliştirdiklerini belirtiyor. Campbell, mevcut katı-hal pil düzeneğinde katı elektroliti, bir lityum metali ile demir disülfit katotunun arasına yerleştirdiklerini belirtmektedir. Bu elektrolit, bataryanın çalışması sırasında kısa devre olmasına neden olabilecek dentrit oluşmasını önlemektedir. Ayrıca, katı elektrolit kullanarak, sıvı elektrolitli bir pile oranla hem pil hacmini hem de kütlesini azalttıklarını söylüyor.
Ticari anlamda, araç pil üretmek için önümüzdeki 12 ay içinde bir pilot tesis açacaklarını ve bu tesisle Otomotiv endüstrisi ile yakından ilgilendiklerinin bir göstergesi olacağını söylemektedir.
Batarya üretici firmalarından Front Edge Teknoloji şirketi, Oak Ridge’ye başvuru yapıp lityum fosfor oksinitrit (LiPON)’in patentini aldı ve şu an, tıbbi implantları ve algılayıcıları internete bağlamak için küçük piller üzerine çalışmalar yapıyor. Şirketin CTO’su Simon Nieh, Front Edge Technology’nin patentini alıp kullandığı LiPON elektrolitinin “ince olduğunda oldukça esnek hale dönüşen amorf bir malzeme olduğunu belirtmektir.
Şirket, Califonya’da bulunan pilot tesiste’de şu an ince film bataryalar üretmektedir. “Katı hal pillerin çoğunlukla küçük hacimli niş uygulamalara yönelik” olduğunu söyleyen Nieh, Ancak önümüzdeki beş yılda çok daha büyük bir ölçekte kullanılacaklarını ifade etmektedir.
Üstelik bir pilot tesiste pil üretimi yapan bir diğer firma Cymbettir. Firmanın teknoloji başkan yardımcısı Jeff Sather, geniş formatlı pillerin henüz ekonomik olmadığı için mikro piller ürettiklerini söylüyor. 5×5 mm’lik piller baskılı bir devre kartonuna kolayca lehimlenebilir. 17 yıllık deneyim üzerine gelinen noktada Cymbet, 100 milyon dolar kazanmıştır. Şuan Şirketin yatırımcıları arasında Dow Chemical, Intel ve Texas Instruments firmaları bulunmaktadır.
Aynı zamanda bir Oak Ridge lisansı sahibi Firma yetkililerinden Sather, anot ve katot arasına lityum fosfat elektrolitini vakumla püskürterek elektroliti ürettiklerini, batarya konfigürasyonunu ise, bilgisayar çiplerinin bir araya getirildiği fotolitografi prosesinde yapılmış bir silikon gofret üzerinde üretildiğini açıklamaktadır.
Sather, Şirketin En büyük Pazar payımız tıbbi cihaz pazarında olduğunu ve Dizüstü bilgisayarlar için pil teknolojisinde de yer alabilmek amacı ile bilgisayar üreticileri ile temasa geçtiklerini belirtiyor.
Ancak Sather, LiPON’u dizüstü bilgisayarlar ve araba pilleri gibi çok akım çeken cihazlar için uygun görmemektedir. Bir başka firma olan İyonik Malzemeler, aslında yüksek akım çekme aygıtlarıyla iyi çalışan katı bir elektrolite sahip olduğunu söylüyor. Tufts Üniversitesi malzeme bilimcisi Michael Zimmerman’ın kurduğu şirket, kendi ürettiği elektrolitini mevcut elektrolitlerden daha güvenli, daha ucuz ve daha yüksek performans gösteren bir katı hal polimer olarak tanımlıyor.
Fransız Bolloré’ şirketi temeli katı-hal polimerlere dayanan piller üretmektedir. Firma, Autolib araba kiralama servisi üzerinden kiralanan araçlara batarya üretimi yapmaktadır. IDTechEx danışmanı Grande’ye göre, bu araçlarda bulunan pillerin en büyük dezavantajı, sadece 60 ° C’nin üzerinde verimli çalışmasıdır. Bunun aksine, Ionic Materials’ polymer şirketinin strateji direktörü oda sıcaklığında çalıştığını ve oda sıcaklığında herhangi bir katı maddenin “en yüksek lityum-iyon yayılım katsayısına” sahip olduğunu iddia etmektedir. Firma kendi başına pil yapmak için hiçbir planı yok ve bunun yerine pil üreticilerine kendi polimer malzemesini satmak istiyor. Bu anlamda, Firma yetkililerinden Terjesen, aktif pil üreticileri ve orijinal ekipman üreticileriyle şu anda temas halinde çalıştıklarını belirtmektedir.
Bu konuda bilinçli yatırımcılar, İyonik Materyal şirketinin bir şeylere sahip olabileceğini düşünüyorlar. Destekçileri arasında Silikon Vadisi yatırım şirketi Kleiner Perkins Caufield & Byers ve Sun Microsystems’in kurucularından Bill Joy yer alıyor.
Akademik çevredeki araştırmacılar, katı hal pillerin hızlı bir şekilde kullanılmasını engellemeyen faktörün, analiz etme zorluğu olduğunu belirtiyor. Çünkü, Bir katı hal pilde, bileşenler birbirine sıkı sıkıya bağlı olduğundan “bunları mantıklı bir şekilde parçalayamazsınız” diyor New York Üniversitesi kimya profesörü Alexej Jerschow. Profesör, lamine edilmiş pillerde iyon hareketliliğini ölçmek için tahribatsız bir manyetik rezonans görüntüleme tekniği geliştiriyor.
Enstrüman üreticileri de yeni pilleri analiz etmeye yardımcı oluyorlar. Örneğin, Thermo Fisher Scientific firmasının iş geliştirme müdürü olan Herman Lemmens, firmanın ürettiği yeni elektron mikroskoplarının görüntüleme performansının daha iyi olduğunu ve artık katı hal pillerde küçük kusurların ve küçük ölçekli ara yüzeylerin karakterize edilmesinin mümkün olduğunu ifade etmektedir.
40 yılın üzerinde bir süredir lityum iyon pil geliştirmesinde ön planda olan kimyager M. Stanley Whittingham, Katı hal piller dikkat çekmesine rağmen, ticari olarak uygulanabilirliği “net değil” diyor. Şu anda Binghamton Üniversitesi’nden profesör olan Whittingham, elektrotları çevreleyen sadece bir miktar sıvı elektrolit ile katı bir elektrolit içeren lityum pillerin en iyi performans göstereceğini iddia etmektedir. Bu şekilde pil üreticileri elektrolit, anot ve katot arasında iyi temas avantajı elde ederken katı bir elektrolitin güvenlik avantajını korurlar. Profesör Whittingham, Katı hal piller için en büyük zorluğun, fiyatlarını mevcut teknoloji ile rekabet edebilecekleri yere çekmek olduğunu belirtmektedir. Mevcut koşullarda, Katı -hal pillerin fiyatlarının şu an ki ticari pillerin fiyatına çekilebilmesinin biraz zaman alacağını savunur. Ancak gelecekteki 5 yıl ile 10 yıl arasında katı-hal pillerinin makul fiyatları karşısında lityum iyon pillerin rekabet edemeyeceğini savunmaktadır.
DÜZELTME: Bu makale, Oak Ridge Ulusal Laboratuarından lisanslanan Solid Power patentlerini doğru bir şekilde tanımlamak için 22 Kasım 2017’de güncellendi.
Kaynak : acs.org
