Daha küçük, daha uzun ömürlü ve daha güçlü batarya arayışında bilim insanları batarya kimyasına göre çok sayıda alternatif yaklaşımlar denemiştirler. Bunlardan biri olan lityum-hava pilleri ya da lityum-hava bataryaları için bizim beklediğimiz atılımı yapmış olabilir.
Beklenenden çok daha yüksek enerjili bir batarya hücresi geliştiren kimyager K. M. Abraham’ın 1995 yılında kendi laboratuvarında test ettiği bir batarya hücresinde küçük bir sızıntı bulduğu şehir efsanesidir. Abraham bu sızıntıyı düzeltmeyi denemekten ziyade bu konuyu araştırdı ve ilk yeniden şarj edilebilir lityum-hava (Li-air) bataryayı keşfetmiş oldu. Şimdiye kadar bu keşif teknolojik ürünlere teknik olarak uygulanamadı ama Science dergisinde yayınlanan bir makaleye göre Cambridge Üniversitesi’nden bir araştırma grubu bu durumu değiştirebilir gibi görünüyor.
2008 yılında, Tesla şirketi lityum-iyon (Li-ion) bataryalarla çalışan satışa hazır elektrikli aracı Roadster ile endüstri gözlemcilerini şaşırtmıştı. Bu bataryalar akıllı telefonlardan dizüstü bilgisayarlar, kamera ve oyuncaklara kadar her şeyde kullanılıyordu ve sıra otomobillere gelmişti. Bundan sonra, elektrikli araçlar sadece otomobil pazarında hızlı büyümedi, bataryaların ortalama kullanımı da artmış oldu. Ancak bu büyümenin hızlandırılması gerekiyor.
Profesör Gunwoo Kim ve Clare Grey’in liderliğinde yürütülen bu yeni araştırma bir Li-ion bataryada tipik olarak kullanılan metal oksit yerine hafif, gözenekli karbon gibi sadece bir elektron iletkeninin kullanıldığı Li-air batarya hücreleri üzerine gerçekleşti. Pratik olarak, bu bir miktar ağırlık tasarrufu sağladı ama kendi zorluklarını da beraberinde getirdi.
Bir Li-hava batarya hücresi pozitif elektrottaki oksijen moleküllerinin (O2) kullanılabilirliğinden bir voltaj oluşturur. Oksijen molekülleri lityum peroksit (Li2O2) oluşturmak ve sonunda elektrik üretmek için pozitif yüklü lityum iyonları ile etkileşirler. Elektronlar elektrodun dışına çekilir ve artık daha fazla lityum peroksit oluşmuyorsa batarya boştur.
Pozitif elektrodun tüm gözenekleri lityum peroksit ile dolduğunda teorik olarak lityum-hava bataryası boşalmış demektir.
Ancak, lityum peroksit çok kötü bir iletkendir. Eğer lityum peroksit tortuları reaksiyon sırasında elektron sağlayan elektrot yüzeyi üzerinde artarsa, bu eninde sonunda reaksiyonu sonlandırır, böylece batarya da tüketilmiş olunur. Eğer reaksiyon sonucu oluşan lityum peroksit elektroda yakın bir yerde depolanırsa ama onun üzerini kaplamazsa bu problemin üstesinden gelinebilir.
Cambridge araştırmacıları standart bir elektrolit karışımını kullanarak ve katkı maddesi olarak da lityum iyodür (LI) ekleyerek tam anlamıyla soruna ilişkin bir reçete buldular. Araştırmacıların deneyi büyük gözeneklerle dolu çok sayıda ince grafen katmanlarından oluşan emici, yumuşak bir elektrodu da ayrıca içeriyordu. Son önemli madde de küçük bir miktar su oldu.
Kimyasalların bu kombinasyonu ile, reaksiyonda elektrodun iletken yüzeyine yapışan lityum peroksit oluşmadı. Bunun yerine, lityum peroksit sudan ayrılan hidrojen ile birleşmek yerine lityum hidroksit (LiOH) kristallerini oluştu. Bu kristaller karbon elektrottaki gözenekleri dolduracak büyüklüktedir ama kritik olarak bu kristaller karbon yüzeyi kaplamaz ve engellemezler. Böylece voltaj üretilmesini sağlarlar. Lityum iyodürün varlığı bir “kolaylaştırıcı” ve suyun varlığı ise “ortak reaktif” olarak lityum-hava bataryalarının kapasitesinin artırılmasında rol oynamıştır.
Lityum-peroksit oluştuğunda batarya boşalırken, lityum-hidroksit oluştuğunda batarya voltaj üretmeye devam etmektedir.
Araştırmacıların bulguları tam da diğer araştırma gruplarının çalışmayı vazgeçtikleri bir anda Lityum-hava teknolojisini ileriye götürecek bir şekilde ortaya konmuş oldu. Cambridge Üniversitesi araştırmacılarının bu atılımıyla çok sayıda araştırmacı bu konuya geri döneceği için, belki de ticari bir Li-hava bataryası sonunda gerçek olabilecek.
Bu makale, Lancaster Üniversitesi Fiziksel Kimya Bölümü’nde Profesör Harry Hoster tarafından TheConversation’da yayınlanan “Lithium-air: a battery breakthrough explained” başlıklı makale göz önünde bulundurularak hazırlanmıştır.
Gökhan Atmaca, Bilim Uzmanı (MSc.)
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca
Görsel, Jens Buettner/EPA
