Katı hal yerine silikon: elektrikli otomobil aküleri için dönüm noktası mı?
Pil araştırmaları alanında oldukça fazla dinamizm var. Sonuçta, özellikle elektromobiliteyi teşvik etmek için mümkün olduğunca güçlü ve uzun ömürlü enerji depolaması bulunmalıdır. Artık iki yaklaşım arasında bir rekabet varmış gibi görünüyor.
Duyuru
Katı hal pilleri teorik olarak elektrikli otomobillerdeki menzil endişesini tamamen ortadan kaldırabilir. Ancak pratikte üretimin karmaşık olması nedeniyle şimdiye kadar verilen birçok vaat sınırlı kaldı. Şimdi işler değişiyor gibi görünüyor. Birçok üretici seri üretime doğru ilerleme bildiriyor.
Ancak artık bu teknolojinin, silikon anotlu geleneksel lityum iyon pillerin yerini alması mümkün. Eşit derecede yüksek enerji yoğunlukları sunarlar ancak üretilmeleri daha kolaydır. Ve Çin'e olan bağımlılığı azaltıyorlar. Pil geliştirme çalışmaları gelecekte muhtemelen daha da heyecan verici hale gelecektir.
Modern lityum pillerde anotlar genellikle kurşun kalem uçları gibi grafitten yapılır. Katotlar genellikle lityum nikel manganez kobalt oksit (NMC) veya lityum demir fosfat (LFP) bazlıdır. Şarj sırasında lityum iyonları katottan anoda doğru hareket ederken, deşarj sırasında anottan katoda geri dönerler.
Katı hal piller: 2025'ten itibaren “daha büyük miktarlarda”
Katı hal hücreleri esas olarak metal bileşene bağlanır. Metal oksitler yerine saf lityum kullanıyorlar. Enerji yoğunlukları da buna uygun olarak yüksektir.
En tanınmış üreticilerden biri Volkswagen'in de hissesine sahip olduğu Quantumscape'dir. Kendi açıklamalarına göre artık seramik seperatörlerin seri üretiminin önündeki belirleyici bir engeli aşmış durumda. “Daha büyük miktarlarda” numune hücreleri 2025 gibi erken bir tarihte teslim edilebilecek. Quantumscape, enerji yoğunluğunu litre başına 844 watt-saat olarak ayarlıyor. MG, Mercedes ve Toyota da yakın zamanda katı hal hücreleri alanında ilerleme bildirdiler.
Ancak gelecekteki katı hal hücreleri grafit olmadan çalışamayacak. Ancak bu çok fazla yer kaplar ve iyon değişimini yavaşlatır. Bu nedenle silikon pil üreticileri tam tersi bir yaklaşım benimsiyor: Metal elektrotla değil, grafitle başlıyorlar. Diğer şeylerin yanı sıra Porsche Taycan'ın da gösterdiği gibi, %5-10 oranında silikon eklenmesi bile şarj performansını büyük ölçüde artırabilir. Bir sonraki Mercedes CLA da 2025'ten itibaren grafit-silikon anota sahip olacak.
Daha da iyisi: tamamen silikondan yapılmış anotlar
Ancak tamamen silikondan yapılmış anotlar daha da iyi olurdu. Tek bir lityum iyonunu barındırmak için altı karbon atomuna ihtiyaç duyulurken, iki silikon atomu yediye kadar lityum atomunu barındırabilir. Silikon karbondan daha ağırdır, ancak Haberler Autos'un yazdığı gibi “kütle avantajı” hâlâ “yaklaşık on kat”tır.
Sorun, silikonun şarj ve deşarj sırasında daralması veya genişlemesidir. Bu, bir hücrenin ömrünü etkileyen mekanik streslere yol açar. ABD'li şirketler Sionic Energy ve Group14 Technologies, nano ölçekli süngere benzer yapıdaki anotla bu sorunu çözdüklerini söylüyor. Minik silikon parçacıkları başka maddelerden oluşan bir yapıyla çevrelenmiştir. Bu onların özgürce genişlemelerine olanak tanır.
Bu anotların %42 daha fazla enerji yoğunluğu sağlaması ve şarj süresini üçte bir ila on dakika arasında azaltması bekleniyor. Özellikle üreticiler, kilogram başına 330 watt saat (veya litre başına 842 watt saat) enerji yoğunluğundan ve on amp'e kadar olan hücreler için 1.200 döngüye kadar kullanım ömründen bahsediyor. 20 A/saatlik daha büyük hücreler daha da yüksek bir enerji yoğunluğuna ulaşır, ancak döngü sayısının yalnızca yarısı kadardır. Karşılaştırma için: IEEE Spectrum'a göre nikel açısından zengin en iyi Tesla pilleri neredeyse 300 Wh/kg veya 700 Wh/l kadardır.
Üretime mükemmel şekilde entegre edilebilir
Bu önemli verilerden daha da önemlisi: Şirketlere göre anot üretimi, geleneksel lityum iyon hücrelerinin üretimine sorunsuz bir şekilde entegre edilebiliyor. Bu çok önemlidir çünkü gelecek vaat eden laboratuvar konseptlerinin çoğu seri üretime giden yolda başarısız olmaktadır. Grafit üretiminin %90'ından fazlası Çinlilerin elinde olmasına rağmen silikon çok daha bağımsızdır.
Sionic, teknolojisinin lisansını diğer üreticilere vermek istiyor. Potansiyel müşterilerin ilk hücreleri 2025 gibi erken bir tarihte test edebilmeleri gerekiyor. IEEE Spectrum'a konuşan CEO Ed Williams, tüketici elektroniği ve havacılıkta erken uygulamaları gördüğünü söyledi. Tahminlerine göre önümüzdeki üç ila beş yıl içinde silikon içeriği yüzde 30 ila 100 arasında olan anotlar pazara girecek. Hatta Group14'ün başkanı Rick Luebbe şuna inanıyor: “Zamanla silikon piller, geleneksel lityum iyon pillerin yerini tamamen alacak.”
Araştırmacılar Halle'de de aktif
Grup14, 2025'in başlarında ABD'de 100.000-200.000 elektrikli araca yetecek kadar, yılda 20 gigawatt saat üretim yapacak bir fabrika açmak istiyor. Güney Kore'de on gigawatt saatlik bir sistem halihazırda faaliyette. Porsche aynı zamanda Group14'ün 100 milyon dolarlık hissesiyle yatırımcıları arasında yer alıyor.
Halle an der Saale girişimi NorcSi de saf silikon anotlar üzerinde çalışıyor. Ayrıca bu durumda bir nanoyapının hacim değişimini önleme amacı vardır. Burada da elektrotlar belirlenmiş proseslere göre üretilebilir. Şirket, “Test hücrelerimiz halihazırda döngü stabilitesi açısından makul değerlere, şarj hızı ve kapasitesi açısından ise olağanüstü değerlere ulaşıyor” dedi. “Ancak, daha fazla optimizasyon için elimizde çok sayıda parametre var.”
Aachen merkezli FEV Grubu, ortağı ProLogium ile birlikte saf silikon elektrot ve katı hal elektroliti, yani katı hal hücresi ve silikonun bir arada olduğu bir hücre geliştiriyor. Sekiz dakikada %80'e kadar şarj olabilmeli ve enerji yoğunluğu 360 Wh/kg olmalıdır. Şirket piyasaya çıkış tarihi vermiyor.
Bu makale ilk olarak t3n.de'de yayınlandı.
(mak)