Dünyanın ilk anotsuz sodyum katı hâl bataryası geliştirildi
(pme.uchicago.edu)- UChicago PME'deki Y. Shirley Meng laboratuvarı ile UC San Diego'dan ortak araştırma ekibi, sodyum + katı elektrolit + anotsuz yapıyı birleştirerek elektrikli araçlar ve şebeke depolama için düşük maliyetli, hızlı şarj olan ve yüksek kapasiteli bataryaların önünü açtı
- Lityum yerine bol bulunan sodyum kullanılması ve anotun kaldırılmasıyla maliyet ile çevresel yükün azaltılması, katı tasarımla da güvenlik ve güç performansının korunması hedefleniyor
- Nature Energy makalesi, yeni yapının yüzlerce kez kararlı çevrimleme gösterdiğini belirtiyor; daha önce ayrı ayrı hayata geçirilen üç batarya kavramının tek bir yapıda birleştirilmesi çalışmanın temel noktası
- Tasarımın kilit unsuru, elektrolitin akım toplayıcıyı sarması yerine alüminyum toz akım toplayıcının elektroliti çevrelemesi; böylece yapı katı olmasına rağmen sıvı benzeri yakın temas sağlanıyor
- Araştırma ekibi bu yaklaşımın, fosil yakıtların yerini almak için gereken batarya ölçek açığına doğru atılmış bir adım olduğunu düşünüyor ve UC San Diego Office of Innovation and Commercialization aracılığıyla patent başvurusu yaptı
Sodyum, katı hâl ve anotsuz yapının tek bir yapıda birleştirilmesi
- UChicago Pritzker Molecular Engineering bünyesindeki Laboratory for Energy Storage and Conversion, dünyanın ilk anotsuz sodyum katı hâl bataryasını geliştirdi
- LESC, UChicago Pritzker School of Molecular Engineering ile UC San Diego'daki Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering arasındaki ortak bir organizasyon
- Sodyum bataryalar, katı hâl bataryalar ve anotsuz bataryalar ayrı ayrı mevcuttu; ancak bu üç fikri başarıyla birleştiren bir örnek yoktu
- Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery başlıklı makale Nature Energy'de yayımlandı ve yeni yapı yüzlerce kez kararlı çevrimleme gösterdi
Lityuma bağımlılığı azaltmak neden önemli
- Lityum yerkabuğunda yaklaşık 20ppm seviyesindeyken, sodyum yaklaşık 20,000ppm seviyesinde ve çok daha bol
- Dizüstü bilgisayarlar, telefonlar ve elektrikli araçlar için lityum iyon bataryalara olan talep arttıkça lityum fiyatı ve tedarik baskısı yükseldi; gerekli batarya miktarını güvence altına almak daha da zorlaştı
- Lityum rezervleri belirli bölgelerde yoğunlaşıyor
- Şili, Arjantin ve Bolivya'daki Lithium Triangle, küresel lityum arzının %75'inden fazlasını barındırıyor
- Diğer rezervler Avustralya, North Carolina ve Nevada gibi bölgelerde bulunuyor
- Lityum çıkarımı, cevherin parçalanmasında kullanılan endüstriyel asitler ya da büyük miktarda suyun yüzeye çıkarılıp buharlaştırıldığı tuzlu su çıkarma yöntemleri nedeniyle çevresel zarara yol açabiliyor
- Sodyum deniz suyunda ve soda külü madenciliğinde yaygın bulunduğundan, batarya malzemesi olarak daha çevre dostu bir seçenek olarak görülüyor
Anotsuz bataryaların kazandıkları ve kaybettirdikleri
- Geleneksel bataryalarda, şarj sırasında iyonları depolayan bir anot bulunur; kullanım sırasında ise iyonlar anottan elektrolit üzerinden akım toplayıcı olan katoda geçerek cihazlara ve araçlara güç sağlar
- Anotsuz bataryalar anotu ortadan kaldırır ve iyonları, akım toplayıcı üzerindeki alkali metalin elektrokimyasal birikimi şeklinde doğrudan depolar
- Bu yaklaşım daha yüksek hücre voltajı, daha düşük hücre maliyeti ve daha yüksek enerji yoğunluğu sağlayabilir; ancak elektrolit ile akım toplayıcı arasındaki temasın kurulmasını zorlaştırır
- Temas sorunu, elektrolit türüne göre büyük ölçüde değişir
- Sıvı elektrolitler yüzeyi ıslatabilir ve her yere akabilir, bu yüzden temas kurmaları kolaydır
- Katı elektrolitler aynı şekilde akamaz veya yüzeyi ıslatamaz
- Sıvı elektrolitler katı elektrolit ara yüzeyi birikimine yol açar ve aktif malzemeyi sürekli tüketerek zamanla bataryanın kullanışlılığını azaltır
Alüminyum tozdan yapılan akım toplayıcı tasarımı
- Araştırma ekibi, elektrolitin akım toplayıcıyı sarması yerine akım toplayıcının elektroliti çevrelediği bir yapı seçti
- Akım toplayıcı, sıvı gibi akabilen bir katı olan alüminyum tozdan üretildi
- Batarya montajı sırasında toz yüksek basınçla sıkıştırılarak yoğun bir katı akım toplayıcı oluşturulurken, elektrolitle sıvı benzeri temas korunuyor
- Bu yapı, düşük maliyetli ve yüksek verimli çevrimlemeyi mümkün kılarak sodyum katı hâl bataryalarının geliştirilmesini ileri taşıyabilir
- Sodyum katı hâl bataryaları genellikle uzak geleceğin teknolojisi olarak görülse de bu sonuç, gerçekte iyi çalışabileceklerini göstererek ilgili araştırmaları daha da hızlandırabilir
Batarya ölçeğini büyütme ve ticarileşme yönü
- Meng, ABD'yi bir saat boyunca çalıştırmak için 1TWh enerji üretilmesi gerektiğini, ekonominin karbonsuzlaştırılması için ise yüzlerce TWh ölçeğinde bataryalara ihtiyaç duyulduğunu belirtiyor
- Bu araştırma, dünya ekonomisini fosil yakıtlardan uzaklaştırmak için gereken batarya ölçeklendirme açığını kapatmaya yönelik bilimsel bir ilerleme olarak değerlendiriliyor
- Meng, toplumsal ihtiyaçlara göre ölçeklenebilen, çeşitli temiz ve düşük maliyetli batarya seçeneklerinin yenilenebilir enerjiyi depolayan bir geleceği mümkün kılacağını öngörüyor
- Meng ve Grayson Deysher, UC San Diego Office of Innovation and Commercialization aracılığıyla bu araştırma için patent başvurusu yaptı
- Çalışma, National Science Foundation'ın Partnerships for Innovation hibe no. 2044465 desteğiyle yürütüldü
1 yorum
Hacker News yorumları
Lityum fiyatı son 2 yılda gerçekten %80 düştü; bu yüzden makaledeki bu kısım bugünün koşullarına göre yanlış.
“Bataryalarda yaygın kullanılan lityum aslında o kadar yaygın değil. Yer kabuğunda yaklaşık 20 ppm bulunurken, sodyum 20.000 ppm düzeyinde.
Bu nadirlik ve dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları ve elektrikli araçlar için lityum iyon bataryalara yönelik talepteki hızlı artış, fiyatları fırlatarak ihtiyaç duyulan bataryaları bulmayı daha da zorlaştırdı.”
Kaynak: https://tradingeconomics.com/commodity/lithium
https://www.bradley.com/insights/publications/2024/02/lithiu...
Yine de bu bir üniversite tanıtım yazısı, yani kaçınılan sorunu ve yarattığı etkiyi büyük gösterme konusunda tipik bir örnek.
Esas olarak anotsuz bataryalar arzu edilen birçok özelliğe sahip olduğu için mühendislik başarısı olarak dikkate değer. Özellikle birçok ülkede kendi hammaddelerini tedarik ederek batarya üretebilecek kadar malzeme erişilebilirliği iyi; hücre bütünlüğü bozulsa bile ısıl kaçakla mahvolmadığı için güncel lityum bataryalara kıyasla otomobiller için daha uygun.
Sıradaki eşik, pek çok batarya inovasyonunun takıldığı nokta olan seri üretim maliyeti. Dün gördüğüm gibi $1/kWh seviyesine kadar düşürebilirlerse bu bataryaları çok göreceğiz.
Küçük bir fazlalıktan değil, büyük çaplı bir arz fazlasından söz ediyorlar; fiyatların düşeceğini ve özellikle yeni, pahalı bataryaların, mevcut üreticilerin fiyat kırdığı bir ortamda rekabet etmekte zorlanacağını düşünüyorlar.
Önümüzdeki birkaç yılda bugüne kadar üretilenden daha fazla batarya üretilecek. Üretim hacmi yılda 1 TWh’nin biraz altından birkaç TWh’ye çıkıyor. Bloomberg NEF gelecek yılki talebi yaklaşık 1,6 TWh/yıl olarak görüyor ve yeni fabrikalara ilişkin yatırım kapasitesini 7,9 TWh/yıl olarak izliyor. Bunların hepsi inşa edilmeyecek, ama yine de muazzam bir kapasite ve büyük bir lityum talebi demek. Buna rağmen, belirttiğin gibi fiyatlar düşüyor. Çünkü lityum yeterli ve artık kıt değil.
Lityum Şili ve Bolivya gibi yerlerde bol, ama fiili en büyük üretici Avustralya. Şili yakında 2. sırayı Çin’e kaptıracak gibi görünüyor: https://www.visualcapitalist.com/ranked-the-worlds-largest-l...
Bütün bunlar, lityum kullanmayan batarya kimyalarını hesaba katmadan önceki durum. Sodyum iyon şu anda oldukça iyi görünüyor. Lityum, kobalt, nikel vb. gerektirmiyor ve hâlihazırda düşük maliyetli otomobillerde ve şebeke depolamada kullanılıyor. Özellikle şebeke depolamada lityum bazlı bataryalar ille de en doğal tercih değil.
Elektrikten pek anlamam ama elektronların akması için bir anot gerekmez mi diye düşünüyorum.
Wikipedia’da “bunun yerine ilk kez şarj edildiğinde metal bir anot oluşturur” deniyor.
Hâlâ tamamen net değil ama bir ölçüde mantıklı görünüyor.
Wikipedia’daki cümlenin tamamı şöyle: “Anotsuz batarya (AFB), anotsuz olarak üretilen bir bataryadır. Bunun yerine ilk kez şarj edildiğinde metal bir anot oluşturur.”
Biraz “serverless” gibi ;)
Bataryada yük varsa, sodyum metalinin bir kısmı anot görevi görür. Tamamen deşarj olduğunda sodyum katoda taşınmış olduğundan anot yoktur.
“İlk şarj edildiğinde metal bir anot oluşturur” kısmı neden umut verici olmalı, anlamıyorum.
Alay etmiyorum; 5 yaşındaki birine anlatır gibi öğrenmek istediğim bir soru.
Na4MnCr(PO4)3
Krom, yerkabuğunda lityumdan 5 kat daha bol bulunur (%0,01’e karşı %0,002). Daha iyi ama sanki devasa bir fark değil
Prusya mavisi kullanan “normal” sodyum iyon pillerin, nadir element kullanmaması gibi büyük bir avantajı var gibi görünüyor. Bu katı hâl kimyasal bileşimiyle normal yöntemin karşılaştırması olsa iyi olurdu
Krom oksitlerin ve kromitin oluşum Gibbs serbest enerjisi, lityum içeren minerallere göre çok daha negatiftir; bu yüzden Cr bileşikleri eriyiklerde ve çözeltilerde termodinamik olarak çökelmeye yatkındır, yüksek yoğunluklu cevherler oluşturur ve sonra başka süreçlerle yukarı taşınır. Li+ ise tek değerlik elektronu nedeniyle görece güçlü bağlar ya da çok kararlı mineral fazları oluşturmakta pek başarılı değildir
Ayrıca magma ve kayaçlarda Cr türlerinin difüzyon katsayısı genellikle Li’den birkaç mertebe daha düşüktür. Cr erken aşamada kristal yapılara hapsolup kalırken, Li suda çözünebilen mineral biçimlerinde hareket etmeye ve difüze olmaya devam eder. Mikroorganizmaların tortullarda Cr’yi yoğunlaştırabildiği biyojeokimyasal döngüler de vardır
[0] https://www.statista.com/statistics/598320/mine-production-o...
https://wikipedia.org/wiki/Prussian_blue
Çıkarması zahmetli olabilir ama tükenecek bir madde değil
Bunun üç değerlikli krom mu, altı değerlikli krom mu, yoksa başka bir form mu olduğu da önemli
Chromium > Precautions:
https://en.wikipedia.org/wiki/Chromium#Precautions
Makalenin ön baskısı burada: https://chemrxiv.org/engage/api-gateway/chemrxiv/assets/orp/...
“Lityum çıkarımı çevreye de zararlıdır. Tuzlu su çıkarımı, çok büyük miktarda suyu yüzeye çekip kurutur” türü ifadeler biraz abartılı görünüyor
Canlı yaşamının pek olmadığı kurumuş göl tabanlarından suyu çekip buharlaştırmak, madenciliğin çevresel etki ölçeğinde oldukça düşük tarafta kalıyor. Bunun sodyum çıkarımı ile kıyaslandığında nasıl olduğunu merak ediyorum
Sodyum için deniz suyunu havuzlarda buharlaştırmak yeterli ama bu yöntem sulak alanları yok ediyor. SF Bay çevresinde de böyle çok yer var ve bazıları özgün hâline geri döndürülüyor
Nature Reviews Earth & Environment’daki ‘Environmental impact of direct lithium extraction from brines’ (2023), PDF: https://www.nature.com/articles/s43017-022-00387-5.pdf
Enerji yoğunluğu, hacim ve şarj döngüleri hakkında hiçbir şey söylemiyor
Bu duyuru bir bilimsel başarı, tüketiciye yönelik bitmiş bir ürün değil
Yani hâlâ deney aşamasında; ürün sürümü bir yıl içinde çıkmayacak, hatta muhtemelen daha uzun sürecek. Ürünler doğal olarak ömür, ağırlık, kapasite gibi çeşitli kategorilerde özelleşeceği için o zaman bu metrikler anlam kazanır. O zamana kadar önceki deney sonuçlarıyla karşılaştırılabilecek metrikleri olan bir deney sonucu olmaktan ibaret
Grafik yaklaşık 400Wh/kg, yaklaşık 800Wh/L yoğunluk gösteriyor. Şebeke depolaması için fena olmayan değerler
Makale https://www.nature.com/articles/s41560-024-01569-9 ne yazık ki ödeme duvarının arkasında
Bekleyip görmek gerek. Pil teknolojilerinde başarı, pratik boyutlarda deşarj döngüleri sırasında kirli ve karmaşık yüzey tepkimelerinin gerçekten tersinir olup olmamasına bağlı
Bunun gerçekten bir dönüm noktası olmasını umuyorum ama ilk yorumun, bu bataryanın gerçek dünyada yapamadığı önemli bir şeye parmak basacağını tahmin ediyorum
Hype döngüsü boyunca adını duyduğumuz lityum tabanlı katı hâl batarya şirketlerinin çoğunda, çevrim sayısı ve yoğunluğu iyi görünen katı hâl bataryalar vardı ama bunlar temelde saat pili boyutundaydı
Ancak ölçekleyemediler. Yani modern elektrikli araçların kullandığı büyük bataryaları üretemediler ve gerçek dünyada kullanılan batarya form faktörlerinde seri üretim yapamadılar
Yine de bu çok umut verici görünüyor
Özet, “bu hücre yapısı; düşük maliyetli, yüksek enerji yoğunluklu, hızlı şarj olan bataryaları mümkün kılmak için diğer batarya kimyalarının gelecekteki yönü olarak hizmet eder” diye bitiyor. Önemli bir temel araştırma ve keşif çalışması
Üniversitelerin araştırmaları tanıtma biçimini bir gün gerçekten yeniden düşünmesi gerekiyor. En azından, bir laboratuvardan değil de dolandırıcılık kokan bir girişimden çıkmış gibi okunan başlıkların yumuşatılması gerek
Bataryalarda önemli olan ölçek ve toplam maliyettir. Element daha ucuz olsa bile önemli olan, mevcut standarttan kayda değer ölçüde daha iyi veya daha ucuz bir ürün çıkarıp çıkaramadığıdır. LFP’nin yükselişine bakmak yeterli
Mevcut fabrikaların ve üretim tekniklerinin kullanılıp kullanılamayacağı, yoksa bunların yeniden icat edilmesi ya da baştan kurulması gerekip gerekmediği de kritik. Katı hâl bataryaları 15 yıldır duyuyoruz ama henüz yeterince büyük ölçekte ortaya çıkan bir şey yok
Katı hâl batarya tutarsa, muhtemelen önce maliyetin daha pahalı ürün fiyatlarının içine saklanabildiği ve daha yüksek yoğunluğun gerektiği elektrikli havacılık ile süper otomobillerde tutacaktır
“Yüzlerce çevrim boyunca kararlı döngü” deniyorsa, kullanışlı bir batarya için gerekenin tek haneli katlar düzeyinde gerisinde demektir
Bunun ticari olarak başarılı olup lityum batarya üretme ve kurma sürecindeki kirli işlemleri tamamen ortadan kaldırmasını isterim
Çin’e ve çocuk işçiliği ya da neredeyse hiç olmayan güvenlik düzenlemeleri gibi şüpheli çalışma pratiklerine sahip ülkelere daha az bağımlı kalmayı umuyorum
Sorumluluk reddi: Bu bataryaların başarılı olmasını gerçekten istiyorum