Harvard araştırmacıları, on dakikada şarj olan ve 30 yıl dayanabilen bir katı hal pili ürettiler, ancak bu çok abartılı teknoloji, enerji dönüşümü için uzun vadeli bir çözüm olmaya devam ediyor.
İnsanlar yavaş ama emin adımlarla elektrikli araçları (EV'ler) benimsiyor ancak dünyanın 2050'de net sıfır emisyon hedefine ulaşması için bu geçişin hızının hala artması gerekiyor. Elektrikli araçlardaki katlanarak artan gelişmelere rağmen birçok sürücü hâlâ ayrılma konusunda isteksiz. Benzinle çalışan arabalarının rahatlığının arkasında. Geçen yıl Ipsos Mori anketinde ABD'li tüketicilerin elektrikli araç satın almasının önündeki ana engellerin maliyetin yanı sıra şarj istasyonları ve pil ömrü eksikliğine ilişkin endişeler olduğu belirtildi. Otomobil üreticileri için bunun büyük bir kısmı, EV'lerin kaputunun altındaki yerleşik lityum-iyon (Li-iyon) pillerin menzili ve ömrü üzerindeki kalıcı kısıtlamalardan kaynaklanıyor.
Ancak Harvard Üniversitesi'ndeki bilim adamlarından oluşan bir ekip, bu ikilemin çözümüne yönelik önemli bir adım attığına inanıyor. Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Yüksekokulu'ndaki (SEAS) araştırmacılar yeni bir yöntem geliştirdiler. "katı halbaşlıklı bir kılavuz yayınladı Bir benzin deposunu doldurmak için gereken sürede şarj olabilen ve tipik EV aküsüne göre 3-6 kat daha fazla şarj döngüsüne dayanan pil.
Katı hal pilleri uzun süredir elektrikli ulaşıma yaygın geçiş için kutsal kâse olarak görülüyor ve bunları ticarileştirme yarışı son yıllarda hızlandı. Toyota ve Volkswagen gibi firmalar, on yılın sonuna kadar araçlarda da yer almayı umdukları kendi versiyonlarını geliştiriyorlar. Harvard'ın bu son yeniliğinin desteğiyle, katı hal piller sonunda beklentileri karşılamaya hazır mı?
Katı elektrolitlerin sıvı elektrolitlere göre avantajları
Günümüzde Li-ion piller hakimiyetini sürdürüyor; cep telefonlarından dizüstü bilgisayarlara, elektrikli araçlardan enerji depolama sistemlerine kadar her şeyde kullanılıyorlar. Araştırmacılar ve üreticiler, son on yılda Li-ion pillerin fiyatını %90 oranında düşürdüler ve pilleri daha da ucuz hale getirebileceklerine inanıyorlar. Ayrıca daha iyi bir lityum pil yapabileceklerine inanıyorlar.
Bu piller, deşarj ve şarj sırasında iyonları katot ve anot arasında taşımak için sıvı elektrolit kullanır. Ancak sıvı yanıcı olduğundan pilin ömrünü uzatan malzemelerin eklenmesini engeller. Araştırmacılar bir çözümün sıvı elektrolitler yerine katı kullanmak olacağına inanıyor.
Bu katı hal pilleri, sıvı bazlı muadillerine göre çok çeşitli avantajlar vaat ediyor. Her şeyden önce daha yüksek bir enerji yoğunluğu sunarlar; yani birim hacim veya ağırlık başına daha fazla enerji depolayabilirler, bu da daha uzun pil ömrüne veya daha küçük, daha hafif pil paketlerine yol açar. Ayrıca daha uzun bir çevrim ömrü vaat ediyorlar; bozulmadan daha fazla şarj-deşarj döngüsüne dayanır, böylece pilin ömrü artar. Katı bir elektrolitin kullanılması, daha verimli iyon taşınması nedeniyle pilin zarar görmesi riski olmadan çok daha hızlı şarj edilmesini de sağlar.
Katı hal piller, sıvı bazlı pillere göre daha geniş bir sıcaklık aralığında çalışabilir ve zorlu hava koşullarında daha iyi kullanıma olanak tanır. Katı bir elektrolit, sıvı bazlı pillerde yangına veya patlamaya yol açabilecek kısa devre ve aşırı ısınma riskini azalttığı için genellikle daha güvenli kabul edilirler. Son olarak, katı elektrolit daha geniş bir yelpazedeki daha ucuz ve daha çevre dostu malzemelerden yapılabilir.
Genel olarak katı hal piller, geleneksel lityum iyon pillerle karşılaştırıldığında daha iyi performans, güvenlik ve uzun ömür sunarak pil endüstrisinde devrim yaratma potansiyeline sahiptir. Enerji modelleyicisi Teo Lombard, "Yüksek enerji yoğunlukları nedeniyle katı hal piller, [sabit] enerji depolama sistemleri yerine EV'ler için en uygun seçenek olacak ve ağır taşımacılığın elektrifikasyonuna gerçekten önemli bir katkıda bulunabilir" diyor. Uluslararası Enerji Ajansı'nda (IEA) taşımacılık.
Katı hal pil tasarımında “ileriye doğru bir adım”
SEAS araştırmacıları, tipik "madeni para hücresi" çeşidi yerine "kese hücresi" tasarımını kullanarak posta pulu boyutunda bir pil geliştirdiler. Pil, 80 şarj döngüsünden sonra %6,000 kapasiteyi korudu ve düşük sıcaklıklarda iyi performans gösterdi. Araştırmacılar bunu tipik grafit anottan on kat daha fazla kapasiteye sahip lityum-metal anotla yapmanın bir yolunu bulduklarından, diğer katı hal pillerinden daha iyi performans gösterdi.
Yeni çok katmanlı, çok malzemeli tasarım, anot yüzeyinden elektrolite doğru büyüyen kök benzeri yapılar olan "dendritler" ile ilgili yaygın sorunun üstesinden gelmeyi başardı. Bunlar karşıt katodu ayıran bariyeri delerek pilin kısa devreye girmesine ve bazen alev almasına neden olabilir.
Pilin uzatılmış ömrü (yaklaşık 30 yıla eşdeğer) EV'lerin maliyetini önemli ölçüde azaltabilirken, pilin birkaç dakika içinde şarj edilebilmesi ona diğer uygulamalara da kullanılabilecek olağanüstü bir güç yoğunluğu sağlıyor.
“Pili 5 döngü boyunca 10-6,000 dakikada şarj edebildik; SEAS malzeme bilimi doçenti ve projenin baş araştırmacısı Xin Li, EV pillerinin şarj edilmesi genellikle birkaç saat sürüyor ve 1,000 ila 2,000 döngüye sahipler” diyor. "Araştırmamız aynı zamanda gümüş, magnezyum veya silikon gibi diğer malzemeleri de anot olarak kullanabileceğinizi gösteriyor. Bu kesinlikle katı hal pilleri için seri üretimin ölçeklendirilmesine doğru atılmış bir adımdır.”
“Laboratuvardan gerçek dünyaya”
Ancak herkes ikna olmuş değil. Lombard, "Katı hal pillerin mevcut sorunu, hücre düzeyinde daha iyi bir şey elde etmek yerine uygulama ve ölçeklendirmedir" diyor.
Mühendislik açısından bakıldığında, endüstrinin henüz üstesinden gelmediği bir zorluk, son derece yüksek basınca dayanabilen, aynı zamanda "nefes alabilen" (genişleyebilen ve büzülebilen) bir katı hal pil paketi üretmektir. Lombard, "Bu sorunun çözümü, katı hal pillerin enerji yoğunluğu kazanımlarını ortadan kaldırabilir; dolayısıyla bu, endüstrinin önümüzdeki yıllarda ölçek büyütme süreci aracılığıyla yanıtlaması gereken bir sorudur" diyor.
Güvenlik açısından bakıldığında, katı hal üreticilerinin aşması gereken bir diğer sorun, katı hal pili kısa devre yaptığında alev almasa bile motordaki diğer malzemelerin alev alabileceğidir. Lombard, "Yine bu, endüstriyel düzeyde test edilmesi ve doğrulanması gereken bir mühendislik sorunudur" diyor.
Son olarak, katı hal pilleri için bir tedarik zinciri oluşturmanın önünde ciddi bir engel var. Lombard'a göre, pil tedarik zincirleri çok yüksek hacimlerde yüksek kaliteli malzemeler gerektiriyor çünkü pil çok az miktarda kirletici maddeyle bile çalışamıyor. “Bunu inşa etmek uzun zaman alıyor” diyor. "Bunun nedeni aynı zamanda daha geniş pil alanının katlanarak büyümesidir, bu nedenle katı hal sabit bir pazara girmiyor, bunun yerine geleneksel lityum iyon pil dahil her teknolojinin inanılmaz derecede hızlı bir şekilde geliştiği ve biraz kazanmanız gereken bir pazara giriyor. içinde boşluk var."
Lombard'a göre, katı hal pillerin başarısı yeni akademik atılımlarla değil - "bu çalışma önemli" diye uyarıyor - daha ziyade endüstrinin geri kalan mühendislik zorluklarını nasıl çözeceği ve ilgili tedarik zincirini nasıl geliştireceği konusunda uyarıyor.
"Katı hal pillerin büyük bir potansiyeli var, ancak endüstrinin bu [mühendislik] zorluklarını nasıl çözeceği, bunların EV pil pazarını ele geçirip geçirmeyeceğini veya çok uzun mesafeli otomobiller ve kamyonlar için niş bir uygulama olarak kalıp kalmayacağını belirleyecek" diyor.
Küresel patent verilerine dayanarak teknolojik atılımları öngören yapay zeka analiz platformu Focus'un son araştırmasına göre, katı hal pil teknolojisi yıllık bazda %31 oranında gelişiyor. Her ne kadar etkileyici olsa da, bu şu anda yerleşik firmaları sekteye uğratmak için yeterli bir hız değil; Li-ion piller benzer bir %30.5 oranında gelişme gösteriyor.
IEA, katı hal pillerinin net sıfıra geçişte, özellikle de elektrikli kamyonlar gibi uygulamalar aracılığıyla ağır taşımacılığın karbondan arındırılmasında önemli bir rol oynayacağını tahmin ediyor. Lombard, "Ancak sektörü gereğinden fazla ya da az abartmamamız önemli" diyor. Eğer katı hal pilleri potansiyellerini gerçekleştirmeyi başarırlarsa, bunun 2030'larda gerçekleşeceğini tahmin ediyor. "Şu anda gerçekten laboratuvardan gerçek dünyaya taşınmaları gerekiyor."
Li ise katı hal teknolojisinin ana akım haline gelmesinin 2030 civarında olacağına inanıyor. "O zamandan önce hâlâ aşılması gereken birçok teknik engel var" diyor. "[Son] atılımlar 2030 tarihini mutlaka ileriye taşımıyor, aksine bu tarihi mümkün kılıyor."
Kaynaktan Sadece Otomatik
Yasal Uyarı: Yukarıda belirtilen bilgiler Alibaba.com'dan bağımsız olarak just-auto.com tarafından sağlanmaktadır. Alibaba.com, satıcının ve ürünlerin kalitesi ve güvenilirliği konusunda hiçbir beyan ve garanti vermez.
