Alüminyum piller ile telefonu 70 kat hızlı şarj edin

Merhaba bilim hayranları! Lityum-iyon pillerden 70 kat hızlı şarj olan ve daha çok enerji depolayan grafen-alüminyum piller geliyor. Bununla telefonu 2 dakikada şarj edebileceksiniz. Grafen alüminyum-piller nedir ve nasıl çalışır? Alüminyum piller videomda Hindistan’ın elektrikli araçlar için tek kullanımlık alüminyum piller geliştirdiğini söylemiştim.

Bu pilleri bagajda sök-tak olarak değiştirmenin faydalarını yorumlarda tartışmıştık. İşi biten pilleri geri dönüştürmenin ekonomik bir çözüm olup olmadığına yönelik yorumlar gelmeye devam ediyor. Oysa aradan geçen zamanda yeni gelişmeler oldu. Peki hızlı şarj olan grafen-alüminyum piller lityum-iyon pillerin yerini alacak mı? Hemen görelim!

İlgili yazı: Antibiyotik direncini kırmanın 6 yolu

 

Lityum yerine alüminyum piller

Elektrikli cihazlar ve araçlar yaygınlaştıkça yeni, daha yüksek kapasiteli, daha hızlı şarj olan, daha ucuz ve güvenli pillere gerek duyuyoruz. Üstelik bir pilin ekonomik olup olmadığı kullanım alanına göre değişiyor. Bunlar da üçe ayrılıyor: 1) Elektrik santralleri için elektrik kesilmesin diye kullanılan sanayi tipi kesintisiz güç kaynağı pilleri, 2) Elektrikli araçlar (ve hatta elektrikli muharebe tankları ve gemiler) ve 3) elbette ki akıllı telefonlar gibi mobil cihazlar.

Dünyadaki en yaygın ve ekonomik teknoloji lityum-iyon piller. Bunlar kurşun-asit pillere göre 4 kat hızlı şarj oluyor, 10 kat uzun ömürlü oluyor ve 10 kat fazla şarj tutuyor. Oysa artık lityum o kadar ekonomik bir çözüm değil. Aşırı ısınma, yangın çıkarma, lityum madenciliği sırasında çevreyi kirletme, içme suyu kaynaklarını sömürüp kuraklığa yol açma, madencilik aşamasında ağır metal zehirlenmesine ve küresel ısınmaya yol açma gibi zararları var.

Lityum-iyon piller soğuk havalarda iyi çalışmıyor ve lityum cevheri olan ülkeleri de kontrol etmek gibi diplomatik sorunlara veya savaşlara yol açıyor. Sonuçta yeni pil teknolojileri geliştirmemiz ve pil çeşitliliğini artırmamız gerekiyor. Pil sektörü Tesla markası dahil, lityum-iyon pillere alternatif çözümler araştırıyor.

İlgili yazı: Dalga fonksiyonu nasıl çöker ve nesnel gerçekliği oluşturur?

 

Artan pil ihtiyacı

Çözüm derken güneş enerjisi ve rüzgarın yaygınlaşmasının önündeki en büyük engelin depolama sorunu olduğuna dikkat edelim. Gündüz ürettiğiniz elektriği üç ay sonra kullanmak üzere pillerde depolamanız imkansız. Oysa depodaki benzin bile bozulmadan üç ay idare ediyor.

Nitekim Uluslararası Yenilenebilir Enerji Dairesi IRENA’ya göre, nükleer füzyon ve nükleer güç santrallerini de katarsak gelecekte, küresel yenilebilir enerji üretimi küresel toplamın yüzde 85’ini oluşturacak. Bunun yüzde 22’sini güneş enerjisi ve yüzde 36’sını rüzgar oluşturacak. Buna karşın rüzgar her gün esmez ve aynı hızda esmez. Bazı coğrafyalar rüzgarlı olmaz. Güneş de gece batar ve çoğu yer de gündüz hava kapalı olur. Kış aylarında ışık da zayıflar.

İlgili yazı: Venüs hakkında yanıtı en çok merak edilen 10 soru

 

Kısacası depolama şart

Lityum-iyon piller Tesla Powerwall gibi konut çözümleri dahil, şebeke elektriği kesintisiz güç kaynağı pazarının yüzde 90’ını oluşturuyor. Öte yandan lityum-iyon piller güneşte ısındıkça yangın çıkıyor. Sanayi tipi Tesla Megapack pilleri bugüne dek 5 kez yangın çıkardı.

Şirketler bu sorunları iki açıdan çözmeye çalışıyor: EnergyX lityumu çevreye pek zarar vermeden çıkarmaya çalışırken Redwood Materials, Li-Cycle ve RecycleLiCo gibi şirketler geri dönüştürmeye odaklanıyor. Sonuçta lityum pil sektörü için değerli bir metal (Türkiye’de yaygın ve etkili bir pil geri dönüşüm uygulaması yok, o ayrı).

 

Neden Alüminyum piller?

İşte lityum-iyon pillerden 70 kat hızlı şarj olan güvenli grafen-alüminyum piller de burada devreye giriyor. Yalnız önce pillerin nasıl çalıştığını anımsayalım. Pillerin pozitif ve negatif uçları oluyor. Bu elektrotlara katot ve anot diyoruz. İkisi arasında polimerden üretilen bir zar, bir ayraç bulunuyor (separatör). Aynı zamanda uçlar arasında iyon akışı sağlamak için bir sıvı kullanılıyor (elektrolit). Pozitif ve negatif iyon akışı şarj olma ve elektrik üretmeyi sağlıyor.

Alüminyum-iyon piller tasarım olarak lityum-iyon pillere benziyor. Oysa alüminyumun lityum karşısında büyük bir avantajı var: Lityum atomları her seferinde 1 elektron alışverişi yaparken alüminyum üç elektron alışverişi yapabiliyor. Alüminyum 3 lityum gücünde oluyor! Bu da alüminyum pillerin güç yoğunluğunu ve kapasitesini artırıyor; yani kilogram başına daha çok şarj tutarak çok daha hızlı şarj oluyorlar. Teoride…

Alüminyum piller santimetreküpte 8046 mAh depolayabiliyor. Bu da 2062 miliamper depolayabilen lityumun yaklaşık 4 katı. Alüminyum piller ayrıca 1 gramda 2980 miliamper depolayabiliyor. Bu da 3860 miliamperle lityuma yakın. Alüminyum pillerin sıcakta yanmadığını bir kez daha hatırlatalım. Tabii bunlar laboratuar masasında böyle. Peki gerçek dünyada, ticari ürün olarak alüminyum piller lityum karşısında ne durumda?

İlgili yazı: Evreni şekillendiren ince yapı sabiti nedir?

 

Lityuma karşı alüminyum piller

Avustralya’daki Queensland Üniversitesi 2021 yılında alüminyum pillerle ilgili araştırma sonuçlarını yayınladı ve Avustralya şirketi Graphene Manufacturing Group’a (GMG) teknoloji transferi yaptı.

Siz bunu, Avustralya, Birleşik Krallık’ın emriyle ve Anglosakson çıkarları uyarınca kendini ve ABD’yi korumak için deniz ticaret yollarını bekleyecek denizaltılar geliştiriyor diye okuyun; çünkü bir denizaltının firkateynler gibi su üstü unsurlarına yakalanmadan sessiz gitmesinin en iyi yolu havadan bağımsız tahrik sistemleri kullanmaktır (AIP). En iyi AIP de pilli olur. Japonların lityum-iyon AIP’li denizaltıları var.

Belli ki Avustralyalılar da acaba alüminyum piller olur mu diye soruyor. Maalesef bilim-teknoloji hâlâ savunma sanayisi odaklı gelişiyor. GMG mobil cihazlar, şebeke için sabit sistemler ve elektrikli araç pilleri geliştiriyor. Lityum-iyon pillerde karbon atomlarından oluşan grafit neredeyse kusursuz bir anottur.

 

Kurşunkalem ucundan fütüristik pillere

GMG ise kurşunkalem ucundan bildiğimiz grafit yerine grafene kullanıyor. Metrenin milyarda biri, yani nanometre inceliğindeki grafen yaprakları altıgen kafes şeklinde dizilen tek katmanlı karbon atomlarından oluşur. Aynı zamanda çok iyi bir yarı iletkendir. GMG, özel bir plazma tekniğini kullanarak süper ince grafen yapraklarını altıgen kafes aralıkları sadece 0,3 nanometre kalacak şekilde diziyor.

Böylece katot görevi görecek alüminyum klorür molekülleri 5,5 nanometrelik büyüklüğüyle kafesin içine giremiyor. Böylece alüminyum klorür tabakasını grafen yapraklarıyla üst üste dizmek mümkün oluyor. Plazma derken; tek atom kalınlığındaki düz grafit yapraklarını salınım yapan elektronlar kümeleriyle (Plazmon) 0,3 nanometrelik altıgen delikler halinde deliyorlar. Böylece grafen üretiyorlar.

İlgili yazı: Higgs bozonu evrenin kara delik olmasını engelledi

 

Alüminyum piller 70 kat hızlı şarj oluyor

Öyle ki benim akıllı telefon sıfırdan yüzde 80’e 67 watt şarj aletiyle 20 dakikada şarj olmak yerine saniyeler içerisinde şarj olurdu. Pratikte ise Tip C kabloların enerji aktarım limiti nedeniyle tam şarj olması 2-3 dakika sürerdi. Yine de kablodan hızlı şarj eden alüminyum piller geliyor. Bu da insanı heyecanlandırıyor.

GMG CEO’su Craig Nicol’ün dediği üzere, alüminyum piller karbon ve alüminyumdan yapılıyor. Karbon da ısıyı çok iyi tutuyor ve karbondioksit gazı olarak küresel ısınmaya yol açmasının sebebi bu. Dolayısıyla alüminyum piller lityum-iyon pillerin dayanamayacağı çöl sıcağında bile çalışıyor. Güneşin alnında arabanın içinde unutsanız da güvenle şarj oluyor. Isınma problemi olmadığı için de çok ama çok hızlı şarj oluyor.

Bunu şebeke elektriği kesintisiz güç kaynağı için düşünün. Bunları güneşi kesen tentenin altında tutmak ve fanla ya da sıvı soğutmayla soğutmak zorunda değilsiniz. Bu da edinim, kurulum ve işletim maliyetlerini azaltıyor. Bir yandan bakım masrafları azalırken diğer yandan ek güvenlik önlemleri almanıza gerek kalmıyor. Bir ürün yakın gelecekte ticarileşmek için ne yapsın?

İlgili yazı: Warp köpüğü ile ışıktan hızlı yolculuk mümkün mü?

 

Alüminyum piller ve lityum-iyon karşılaştırması

Madem sorduk, karşılaştıralım değil mi? Alüminyum piller kg başına 150 watt/saat enerji depoluyor. Lityum-iyon piller 250-300 aralığında olduğu için henüz çalışmak lazım ama teknoloji çok hızlı gelişiyor. Örneğin GMG 2021’de 150 watt/saate ulaşmışken bu yıl 300’ü buldu! Birazdan göreceğimiz gibi 510 watt/saatlik alüminyum piller geliştirmeye başladılar. Bu da lityum-iyon pillerden yüzde 70 daha fazla depolamadır.

İşte o yüzden alüminyum piller videosunun başlığını tek şarjla 1600 km giden arabalar diye atmıştım. Yeni model bir Tesla Roadster’ın lityum-iyonla 1000 km’lik maksimum menzili varken 1700 km abartı değil. Hatta yeni tahta piller videomda tek şarjla 2000 km gitmek hayal demiştim ama abartmayalım derken alüminyum pilleri hesaba katmayarak tersine, az bile söylediğimi düşünüyorum. Dolayısıyla size en güncel bilgileri ulaştırmak için bunu yazıyorum.

İlgili yazı: Hızyuvarı: ses hızında tren olur mu?

 

Dünyayı kurtaran adam Nicol mü?

Yok canım! O kadar da değil: Bir kere alüminyum piller için alüminyum boksiti rafine etmeniz lazım. Bu da bayağı bir küresel ısınmaya yol açıyor ama en azından yüzde 90’ı geri dönüştürülmüş malzemeden üretiliyor. Bu da sıfırdan alüminyum madeni çıkarmaktan daha az küresel ısınmaya sebep oluyor. GMG aynı zamanda bu iş sıfır karbon emisyonu veya en azından az emisyonla yapan Rio Tonto şirketinden de alüminyum satın almaya çalışıyor.

Piyasaya ne zaman çıkacak?

İlk grafen-alüminyum telefon pilini geçen haziranda ürettiler ve ticari pil fabrikasını da kurmayı planlıyorlar desem? GMG elektrikli araçlar için şase üstüne yerleştirme pil dilimlerini de 2024 yılında üretmeyi planlıyor. ABD’nin 2027 yılında yeni özel hafif araçların yüzde 100’ünü elektrikli araç olarak üretmeyi hedeflediğini ve AB’nin 2035 yılında içten yanmalı motor üretimi yasaklayacağını düşünürsek alüminyum piller ve alternatifleri kaçınılmaz olacak.

Tabii AC/DC’nin dediği gibi para konuşur: Pil üretim maliyetinin yüzde 51’ini ister alüminyum olsun ister lityum, katot uç oluşturuyor. Tabii saf lityum-iyon pilin pek geleceği yok. Tesla ve diğer firmalar nikel, kobalt, magnezyum karışımlı lityum piller üretmeye başladı. Mesela 1 ton lityum 13 bin dolar, 1 ton kobalt 71 bin dolar, 1 ton nikel 24 bin dolar ve 1 ton magnezyum da 2500 dolar ediyor. 1 ton alüminyum ise 2078 dolar. Cem Yılmaz’ın dediği gibi: buyur!

Alüminyum ucuz da grafen ne olacak? Doğru dürüst seri üretimi olmadığı için veri bulmakta zorlandım ama bir kaynakta 1 gramı 100 dolar diyor. Bu da 1 ton grafen 100 milyon dolar demek ama şansımıza grafen alüminyumdan daha hafif ve hacimli; yani pillerde onu kiloyla kullanmayacağız. Şimdiden bunu 200 kat ucuzlatmanın bir yolunu buldular (kaynaklara bkz).

Yine örnek olsun diye klasik lityum-iyon pillerin ağırlığının yaklaşık yüzde 28’inin grafitten oluştuğunu bilelim. Grafen tabii ki çok daha az ve hafif olacak. Ayrıca seri üretim fiyatların çok fazla ucuzlamasını sağlayacak. Sakin…

İlgili yazı: Kuantum fiziğinde süper determinizm ve özgür irade

 

GMG pilot aşamasında. Ya diğer girişimler?

MIT araştırmacıları yayınladıkları makalede 100 şarjdan sonra gram başına 520 mAh depolayan ve sıvı pil olması itibariyle litrede 526 watt/saat enerji depolayan bir pil geliştirdiklerini duyurdular. Bu alüminyum-sülfür pil, elektrolit sıvısı olarak da ergimiş tuz kullanıyor. Sodyum klorür ve benzeri tuz iyonlarının elektriği ve dolayısıyla ısıyı iyi ilettiğini hatırlayın.

Nitekim dünyanın ilk elektrik depolama özelliğine sahip güneş enerjisi tesisleri ABD’de aynalı kolektörler ve 600 dereceye kadar ısıtılan sıvı tuzla ısı saklama teknolojisi kullanıyor. MIT tuzun uzun süre şarj tutan piller için iyi bir çözüm olacağını düşünmüş ki bu kez alüminyum klor-alüminat formunda bulunuyor.

Neden derseniz: Alüminyum pillerin en büyük eksiği şarj olurken korozyona (aşınmaya) uğramaları ve pütür pütür olmalarıdır. Bu mikro pütürler elektronların geçişini zorlaştırır. Kısacası adeta pas tutan pil şarj olamaz hale gelir. Hatta kısa devre yapabilir. Klor alüminat pilin aşınmasını önlüyor ama tuz ısıyı tutar deyim ya, MIT’in pili de hayatımda gördüğüm en sapık pil; çünkü ne kadar sıcaksa o kadar hızlı şarj oluyor.

110 derece sıcaklıkta 25 derecelik oda sıcaklığından yüzde 25 daha hızlı şarj oluyor; yani bir telefon düşünün, sahilde güneşin alnında bırakınca daha hızlı şarj olsun. MIT bunu evdeki UPS’lerde, elektrikli araçlarda, konut tipi duvar pillerinde, plazaların kesintisiz güç kaynaklarında kullanabileceğimizi düşünüyor. MIT’e göre alüminyum sülfür piller kilovatsaat başına 9 dolara mal olacak; yani lityum iyon pillerin yüzde 12 ila yüzde 16’sı kadar ucuz olacak!

İlgili yazı: Dünyaya kara delik çarparsa ne olur?

 

Önce laboratuardan çıksın da…

Gerçek hayatta maliyetler artacaktır. Bu işin üretimi, ithalatı, ihracatı, vergisi, ihraç ülkesindeki devlet görevlilerinin cebine komisyon konulması gibi ekstra maliyetleri olacaktır. Kısacası alüminyum piller biraz daha pahalı olacaktır ama lityum-iyon pillerle aradaki farka bakın! Fark o kadar büyük ki alüminyum pillerin gelecek vaat ettiğini yadsıyamayız.

Yalnız alüminyum piller gecikirse şaşırmam. Anot uçun aşınarak erime problemini aşmak kolay olmayacak. Yazının sonundaki kaynaklara bakarsanız bilim insanlarının bu sorunu aşmak için kullanılacak çinko oksit gibi çözümlere ek olarak magnezyum, kalay, iridyum ve galyum tabanlı alaşımları geliştirmenin zor olacağını görebilirsiniz. Bunlar korozyonu azaltıyor ama şimdilik yeterince değil.

Yine de ekonomik açıdan ev, iş, taşımacılık, mobil cihaz ve enerji sektöründe alüminyum pillere öyle bir talep var ki, bu işte öyle çok para var ki pilot çalışmaların şimdiden başladığını da düşünürsek insanlığın aşınma problemini çözeceğine inancım artıyor.

Pazar öngörüleri

Küresel alüminyum-iyon pil pazarının 2021 değeri 4,2 milyar dolar. Bunu avantajlarını, metal kaynaklarını ve yaygın kullanım beklentisini hesaba katarak söylüyoruz. 2031’de ise pazarın 8 milyar dolara ulaşması bekleniyor. Pazar payının bir kısmını lityum-iyon pillerden kapacak ama elektrikli araçların 20 yıla standart olacağını düşürsek talebin azalması mümkün değil.

Peki siz ne düşünüyorsunuz? Grafen-alüminyum ve sülfür-alüminyum piller lityum-iyon pillerin yerini alır mı? Yorumlarda yazın! Hindistan’ın tek kullanımlık bagaja takma alüminyum piller hamlesini de hemen aşağıda izleyin.

Hindistan alüminyum pillere geçmek istiyor

1. IRENA Raporu
2. Energy storage system
3. EESI Enerji Depolama Raporu
4. Recent advances in rechargeable aluminum-ion batteries
5. Graphite Ratio in Li-Ion batteries
6. Emerging rechargeable aqueous aluminum ion battery
7. Aluminium-ion Batteries
8. Ultra-fast charging in aluminum-ion batteries: electric double layers on active anode
9. GMG Aluminium-ion battery
10. Aluminium recycling
11. GMG manufactures the first pouch cell
12. Breaking Down the Cost of an EV Battery Cell
13. Why manganese is a good investment?
14. Costs of nickel and cobalt used in electric vehicle batteries
15. Scientists found a way to make graphene 200 times cheaper and greener
16. A new concept for low-cost batteries
17. Aluminum-sulfur battery for small-scale storage
18. Aluminum Sulfur—Is This How the Future Spells Lithium Ion?
19. Cheap aluminium-sulfur alternative to lithium-ion batteries
20. Challenges and Strategies of Low-Cost Aluminum Anodes for High-Performance Al-Based Batteries
21. Corrosion behaviour improvement from the ultrafine-grained Al–Zn–In​ alloys in Al–air battery
22. Aluminium Ion Battery Market
23. Aluminum-ion Battery Market by 2031