Singapurlu araştırmacılar katı hal bataryanın ömrünü uzattı ama elektrikli otomobil atılımı için hâlâ yol var

Çözüm, sodyum bataryaların iki eski zayıflığını hedef alıyor.

Sodyum, batarya kimyasında yeni bir oyuncu değil. Ancak katı elektrolitli versiyonlar iki kalıcı sorunla boğuşuyor: sodyum iyonları polimer içinde çok yavaş ilerliyor, sodyum metal anot ise şarj sırasında dendrit oluşturabiliyor. İğne benzeri bu yapılar hücreyi delip kısa devreye yol açabiliyor.

Singapur Ulusal Üniversitesi Tasarım ve Mühendislik Fakültesi’nden bir ekip, çalışmasını Advanced Functional Materials’ta yayımladı. Araştırmacılar, polietilen oksit ve bir sodyum tuzu temelli elektrolite grafitik karbon nitrür, yani GCN ekledi. Malzeme, ürenin havada 550 °C’ye ısıtılmasıyla üretiliyor ve yaklaşık 2 nm kalınlığında tabakalar oluşturuyor.

Elektrolitin içinde GCN iki işi birden yapıyor. Önce polimerin sert kristalin bölgelerini parçalayarak daha fazla amorf alan yaratıyor. Sodyum iyonları bu bölgelerde daha serbest hareket edebiliyor. Ardından azotça zengin yüzey noktaları, sodyum iyonlarının tuzun karşı iyonlarından ayrılmasına yardım ediyor. Böylece sodyum iyon taşıma sayısı 0,19’dan 0,51’e çıkıyor. 55 °C’de iyonik iletkenlik iki kattan fazla artıyor.

Dendritleri yavaşlatmak en kritik mesele.

Sodyum metal anot, teorik enerji yoğunluğu açısından güçlü bir potansiyel sunuyor. Fakat metal, şarj sırasında yüzeye eşit dağılmadan birikiyor. Dendritler de tam bu noktada büyümeye başlıyor ve hücreyi içeriden tehdit ediyor.

GCN kompozit elektrolit, orijinal polimere göre üç kat daha güçlü çıktı. Daha önemlisi, anot yüzeyinde sodyum bazlı koruyucu bir inorganik katman oluşmasına yardım etti ve metalin daha düzgün bir şekilde birikmesini sağladı. Karşılaştırma testinde değiştirilmemiş polimer elektrolit, cm² başına 0,1 mA akım yoğunluğunda 250 saat sonra kısa devre yaptı. GCN elektrolit ise aynı yükte 1000 saat, cm² başına 0,2 mA’da ise 2000 saatin üzerinde çalıştı.

Aynı akım yoğunluğunda test, batarya ömründe yaklaşık dört kat iyileşme gösterdi. Daha ağır yük altında 2000 saati aştı. Bu önemli, çünkü dendrit direnci, katı metal bataryanın pratik güvenliği hakkında tek bir manşetlik güç değerinden çok daha fazla şey söylüyor.

Tam hücre de güçlü bir çevrim ömrü gösterdi.

Araştırmacılar ayrıca karbon kaplı, çinko katkılı sodyum vanadyum fosfat katot ve sodyum metal anot kullanan tam bir katı elektrolit hücre üretti. 0,5C şarj ve deşarj hızında hücre, 500 döngü sonunda kapasitesinin yüzde 95’ini korudu. Koulombik verim ise yaklaşık yüzde 99,97’ye ulaştı. Basit anlatımla 1C, bir bataryayı yaklaşık bir saatte şarj etmek anlamına gelirken 2C yaklaşık yarım saate karşılık geliyor.

Ekip, mekanik güvenliği göstermek için katlanırken, açılırken ve kesilirken bir LED’i çalıştıran tek katmanlı pouch tip hücre de yaptı. Bu, teknolojinin elektrikli otomobil batarya paketine hazır olduğunu kanıtlamıyor. Ancak katı elektrolitlerin sıvı elektrolitli hücrelere karşı neden güvenlik avantajı sunduğunu gösteriyor.

Bu henüz elektrikli otomobiller için bir CATL rakibi değil.

Otomotiv sektörü açısından bu sonucu, laboratuvar idealine göre değil, üretime doğru ilerleyen teknolojilere karşı değerlendirmek gerekiyor. CATL’nin Naxtra sodyum iyon bataryası Changan ile seri üretim kullanımına hazırlanıyor ve CATL hücre enerji yoğunluğunu kg başına 175 Wh’ye kadar veriyor. Hücreden pakete mimaride bu değer, 400 km’nin üzerinde menzile imkân tanıyabilir. Gelecek hedefi ise 500 ila 600 km. Ancak bu teknoloji, katı elektrolitli bir sodyum metal batarya değil.

Singapur’daki çalışma farklı bir kulvarda ilerliyor. Gücü, en azından şimdilik, maksimum sürüş menzili değil. Asıl avantajı güvenlik, daha düşük maliyetli hammaddeler ve lityuma bağımlılığı azaltma ihtimali. Büyük sınırlama ise hâlâ çalışma sıcaklığı. En güçlü sonuç 55 °C’de elde edildi. Bir sonraki hedef, 45 °C’de kararlı çalışma. Oysa Avrupa’da kullanılacak bir elektrikli otomobil bataryasının yalnızca sıcak bir laboratuvar ortamında değil, çok daha geniş bir iklim aralığında çalışması gerekiyor.

Avrupa etkiyi önce depolamada hissedebilir, performans EV’lerinde değil.

Avrupa’nın düşük hammadde riski taşıyan ucuz ve güvenli bataryalara en acil ihtiyacı şebeke depolama ve güneş enerjisi santrali depolamasında var. Bu uygulamalarda kilogram başına enerji, fiyat, yangın güvenliği, çevrim ömrü ve bakım maliyeti kadar belirleyici değil. Katı elektrolitli sodyum bataryanın LFP bataryalar üzerinde baskı kurmaya başlayabileceği alan da burası.

Elektrikli otomobillerde sodyum kimyası muhtemelen önce daha ucuz şehir otomobillerinde, ticari araçlarda ve daha soğuk iklimlere yönelik modellerde karşımıza çıkacak. Bu segmentlerde fiyat ve sıcaklık toleransı, daha düşük enerji yoğunluğundan daha ağır basabilir. Premium EV’ler ve uzun menzilli modeller ise önümüzdeki birkaç yıl boyunca yüksek enerjili lityum kimyalarının alanı olmaya devam edecek.

Teknik özet şöyle: Elektrolit, polietilen oksit ve sodyum tuzu bazlı, 2 nm GCN tabakaları eklenmiş katı polimer elektrolit. İyon taşınımında, 55 °C’de iyonik iletkenlik iki kattan fazla arttı ve sodyum iyon taşıma sayısı 0,19’dan 0,51’e yükseldi. Dendrit direncinde kompozit elektrolit, cm² başına 0,1 mA’da 1000 saat, cm² başına 0,2 mA’da 2000 saatin üzerinde çalıştı. Tam hücre, 0,5C’de 500 döngü sonunda yüzde 95 kapasite korudu ve yaklaşık yüzde 99,97 koulombik verim sundu. Ana sınırlama ise teknolojinin hâlâ daha düşük çalışma sıcaklıklarına ve daha büyük formatlı prototiplere ihtiyaç duyması.

Atılım gerçek, fakat akıllıca tasarlanmış bir laboratuvar hücresi ile yıllarca şarja, dona, sıcağa ve sabırsız sürücülere dayanacak bir batarya paketi arasındaki mesafe de aynı derecede gerçek.