ABD Enerji Bakanlığı Enerji Depolama Araştırma Ortak Merkezi’ne katılan Utah Üniversitesi ve Michigan Üniversitesi kimyagerleri, redoks akışlı piller adı verilen bu tür piller için gelecekte güzel gelişmeler olacağını öngörmektedirler. Ekip, moleküllerin farazi bir modelini ve özelliklerini kullanarak, günümüzdeki mevcut bileşiklerden yaklaşık 1000 kat daha kararlı bir yük depolama molekülü geliştirdi. Sonuçlar bugün Journal of the American Chemical Society dergisinde yayımlanmıştır.

Redoks akışlı bir pil diyagramı. Enerji kaynağı olarak bir güneş paneli kullanılarak, merkezdeki hücrenin pili şarj etmesi için gerekli enerji bu şekilde sağlanmaktadır. Yükler, pilin deşarj olması için hücrenin içine pompalanan elektrolit tanklarında tutulmaktadır.

Güneş her zaman parlak olmadığından yağışlı günler için güneş enerjisi araçlarının ekstra yük depolamasını sağlayan bir yol bulunması gerekmektedir. Rüzgarın her zaman esmemesi nedeniyle rüzgar enerjisi tesisleri için de aynı şey geçerlidir. Yenilenebilir enerjiden tam olarak yararlanabilmek için, elektrik ızgaraları, rüzgar ve güneş enerjisi tesislerinden gelen enerjiyi kullanılacağı zamana kadar saklayabilecek olan büyük pillere ihtiyaç duymaktadır. Elektrik ızgarası için potansiyel olarak çok çekici olan mevcut teknolojilerin bazıları verimsiz ve kısa sürelidir.

Kimyager Matthew Sigman, “İlk bileşiğimizin yarı ömrü yaklaşık 8-12 saat ” diyerek bileşiğin yarısının bozunacağı süreyi belirtti. ” Bileşiğin aylar boyunca stabil kalması amaçlanarak çalışmalar devam ediyor.” diye ekledi.

Sıradan bir pil değil

Tipik bir konut güneş paneli müşterisi için, üretilen elektrik, elektrik şebekesine geri gönderilerek veya pillerde depolanarak kullanılmalıdır. Derin devirli kurşun piller veya lityum iyon piller halihazırda piyasaya sürülmüş durumdadır ancak bütün piller ızgarada kullanım için zorluklar göstermektedir.

Tüm piller, elektriksel yükü depolayan ve salıveren kimyasal maddeler içermektedir. Bununla birlikte, redoks akışlı piller arabalarda veya cep telefonlarında bulunan piller gibi değildir. Redoks akışlı piller, enerjiyi depolamak için iki tank kullanmaktadır; bu tanklar merkezinden inert bir elektrot seti ile ayrılmıştır. Tanklarda bulunan anolit ve katolit olarak adlandırılan, elektriği elektrotlar üzerinden akarak ileten yüklü atomlar ya da molekülleri içeren çözeltiler, pile elektrik verilip verilmeyeceğine bağlı olarak depolanırlar.

Michigan Üniversitesi’nden kimyager Melanie Sanford “Kapasiteyi artırmak istiyorsanız, tanklara daha fazla malzeme koymalısınız ve böylece aynı hücrenin içinden akacaklardır.” diyor. “Eğer şarj veya deşarj hızını arttırmak istiyorsanız hücrelerin sayısını arttırmalısınız.” diye ekliyor.

Mevcut redoks akışlı piller, potansiyel toksisitesi nedeniyle kullanımı için ekstra güvenlik gerektiren pahalı bir malzeme olan vanadyumu içeren çözeltileri kullanmaktadır. Pilleri formülleme, kimyasal olarak denkleştirici bir işlemdir, çünkü çok fazla yük depolayabilen moleküller daha az kararlılık, yükünü kaybetme ve hızla bozunma eğilimindedir.

Moleküler tampon araçlar

Sanford, ABD Enerji Bakanlığı’nın Enerji Depolama Araştırma Ortak Merkezi (JCESR) vasıtasıyla Sigman ve U elektrokimyacı Shelley Minteer ile birlikte çalışmaya başladı. Enerji İnovasyon Merkezi, yeni nesil pil teknolojileri yaratmaya kendini adamaktadır. Sanford laboratuvarı, potansiyel elektrolit moleküllerini geliştirdi ve test etti ayrıca daha iyi pil bileşiklerinin tasarımına yardımcı olmak için akıllı teknolojiden yararlandı. Minteer elektrokimya alanında bilirkişilik yaparak katkıda bulundu ve Sigman da bir molekülün özelliklerini tahmin etmek için molekülün yapısal özelliklerini kullanan bir hesaplama yöntemini kullandı. Benzer bir yaklaşım, ilaçların geliştirilmesi aşamasında, aday ilaçların özelliklerini öngörmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Ekibin çalışması, iki tane molekülün birbirleriyle etkileşime girdiği zaman aday bir bileşiğin bozunduğunu tespit etti. Sanford, “Bu moleküller bir araya gelmedikçe bozunma göstermezler. Molekülleri ayarlayarak birleşmelerini önleyebilirsiniz.” diyor.

Bu moleküllerin anahtar parametresini belirleyerek moleküllerin ayrı kalmasını sağlamak için, bir moleküler bileşenin yüksekliğini karşılayan bir faktör yardımıyla, aday molekülün etrafında bir tampon ya da saptırıcı bir kalkan yerleştirildi.

Makalelerde rapor edilen en heyecan verici anolit, organik molekül olan piridinyum temellidir. Hiçbir metal içermeyip organik bir çözücü içerisinde çözünme eğilimindedir, böylece kararlılığı daha da artmaktadır. Diğer bileşikler daha uzun yarılanma ömrüne sahiptirler, ancak bu anolit, kararlılık ve redoks potansiyelinin en iyi kombinasyonunu sağlamaktadır ve bu durum doğrudan depolayabileceği enerjinin miktarıyla ilişkilidir.

Pil tasarımı için becerileri paylaşma

Sigman, Minteer ve Sanford şimdiki ve gelecekteki moleküllerle eşleştirmek için bir katolit belirlemeye çalışıyorlar. Diğer mühendislik kilometre taşları, yeni bir redoks akışlı pil teknolojisinin geliştirilmesinde ön plana çıkıyor ancak pil bileşenlerini geliştirmeye yönelik bir çerçevenin belirlenmesi, ilk adım olarak öngörülüyor.

Sanford “Bu çok yönlü bir sorundur ancak düşük redoks potansiyelleri ile kararlı molekülleriniz yoksa hiçbir şey yapamazsınız” dedi. Ekip, başarılarını şu ana kadar tipik olarak ilaç endüstrisinde kullanılan yapı-fonksiyon ilişkileri araç setinin pil tasarımına benzetiyor. Sanford, “Kimyagerlerin araçlarını, geleneksel olarak mühendislerin kapsamında olan bir alana hizmet için sunduk.” diye ekliyor.

Kaynak : sciencedaily.com

İnovatif Kimya Dergisi aylık olarak çıkan bir e-dergidir. Kimya ve Kimya Sektörü ile ilgili yazılar yazılmaktadır.
×
İnovatif Kimya Dergisi aylık olarak çıkan bir e-dergidir. Kimya ve Kimya Sektörü ile ilgili yazılar yazılmaktadır.