Biyo-Pillere Giden Yolda: Sodyum-İyon Piller

Şimdiki Lityum iyon piller kadar güçlü ucuz ve bozularak toprağa karışabilen bir pil : Şu an için çok iddialı  olan ama gerçek olmasına ihtimal verilmeyen bu pil birkaç yıl içinde gerçek olabilir. Fiziko kimyacı Engelbert Portenkirchner, organik maddelere ve sodyum iyonlarına dayanan bir pil geliştirmek için çalışıyor. 

Dünyadaki en hafif metaldir, esas olarak tuz göllerinden çıkarılır ve her birimiz gündelik hayatta çok defa elimizde tutuyor oluruz: LİTYUM. Lityum-iyon pillerin yapısında görev alan bu hafif metal, cep telefonlarında, dizüstü bilgisayarlarda ve elektrikli otomobillerde bulunmaktadır. Ancak lityum sadece sınırlı ölçüde temin edilebilmektedir: Innsbruck Üniversitesi Fiziko Kimya Enstitüsü'nde görev yapan bilim insanı Engelbert Portenkirchner, "Dünya çapında bulunan tüm arabaları lityum iyon pillerle donatmak isteseydiniz, bunun için yeterli lityumu bulmanız mümkün olmazdı" diye açıklıyor. "Tabii ki geri dönüşüm süreçleriyle eski pillerden geri kazanım sayesinde bu durum aşılabilir, ancak bu süreçte her zaman bir malzeme kaybı söz konusu olacaktır” diye de devam ediyor. Avusturya Bilim Fonu FWF tarafından finanse edilen projesinin bir parçası olarak, bu bilim insanı, lityuma alternatif olabilecek malzemeleri tercih ediyor: Sodyum iyonlarına dayanan tamamen organik bir pil geliştirmeyi arzuluyor. 

Sodyum Yeryüzünde Çok Sık Bulunan Bir Elementtir. Sodyum İyon Piller de  Li-ion  Pillere Ciddi Bir Alternatif Olabilir 

Sodyum tuzları olarak adlandırılan ve her evde sofra tuzu biçiminde bulunan doğal sodyumun dünya üzerindeki rezervi lityuma kıyasla çok daha yüksektir: Sadece bir litre deniz suyu ortalama 11 gram sodyum iyonu içermektedir. “Temelde bir çok element pil üretiminde kullanılabilir. Lityum iyon pillerin geliştirildiği dönemde yine sodyum iyonlarıyla ilk deneyler de bu nedenle yapılmıştı. Ancak, lityum iyon pillerin hızlı başarısından dolayı bunlar hızla geri planda kaldı. ” diye açıklıyor Portenkirchner. 

Boyut Yönünden Zayıflık 

İş görmek için bir pilin iki elektrota ihtiyacı vardır: biri pozitif yüklü - katot - ve diğeri negatif yüklü - anot. Aküler dolar veya boşalırken iyonlar bu iki elektrot arasında ileri-geri yönde hareket ederler, böylece elektrik yükünün tutulmasını ya da serbest bırakılmasını sağlamak üzere elektrot malzemesi ile reaksiyona girerler. Temelde sodyum ve lityum iyonları çok benzer kimyasal özelliklere sahiptir - her ikisi de çok reaktiftir, bu da bir pil üretimi söz konusu olduğunda önemli bir özelliktir. Bununla birlikte, sodyum iyonları lityum iyonlarından çok daha büyüktür, bu nedenle şu anda kullanılan elektrot malzemesi sodyum iyonlarıyla çalışmaz. “Basitçe söylemek gerekirse, küçük lityum iyonları şu anki elektrot malzemesine ki lityum iyon pil için genellikle grafit ve lityum metal oksittir doğru göç edebilirler - Sodyum iyonları ise iyon yarıçapları, yani boyutları nedeniyle bunu yapamazlar, ”şeklinde izah ediyor Portenkirchner. 

Bozularak Toprağa Karışabilen Pil 

Bu arada, araştırmalar organik yarı iletken malzemeler temelinde elektrot malzemeleri alanında da büyük adımlar attı. Fiziko-kimyager , "Bugün muz kabuklarından üretilmiş ve çalışan bir pil hücresi inşa etmek mümkün," diyor. Linz Üniversitesi'ndeki yaptığı tez çalışması çerçevesinde Engelbert Portenkirchner, organik güneş pilleri üzerinde de çalıştı ve organik elektrot malzemesi ile ilgili çok fazla deneyim kazanabildi. “Bu organik malzemelerin bir özelliği çok gözenekli olmaları. Bu nedenle, iyonların büyüklüğü burada neredeyse hiç rol oynamadı. Sodyum iyonları normalde lityum iyonlarına benzer kimyasal özelliklere sahiptir ancak yer kabuğundaki bulunabilirlikleri lityumdan bin kattan daha yüksek olduğundan tamamen organik bir pil için mükemmel bir malzemedirler ”diyor Portenkirchner. Daha yüksek bulunabilirlik ve buna bağlı düşük üretim maliyetlerine ek olarak, Portenkirchner'ın şu anda araştırmayı sürdürdüğü sodyum iyon pilinin başka bir avantajı daha olacaktır: “Lityum gerek yerden çıkarılması gerek geri dönüşüm ya da imha işlemleri açısından özellikle çevre dostu değildir - tamamen organik sodyum-iyon piller ise basitçe bozularak tekrar doğal döngüye geri döndürülebilir. 

Henüz Yolun Başındayız 

Bu vizyonu gerçek kılabilmek için Engelbert Portenkirchner şu anda yarım hücrelerde sodyum iyonlarını araştırıyor. “Sistemi test etmek için onu ideal ve basit bir temele indirgemeye çalışıyoruz. Başlangıçta yarım hücre inşa etme düşüncemiz var. Bu amaçla test elektrodunu metal bir silindirin içine yerleştirdim, elektrotların üzerine organik malzemelerle kapladım ve sonra silindiri elektrolit çözeltisiyle doldurdum. Karşı kutup olarak saf sodyum metali kullanıyorum ” diyerek açıklıyor işleyişi Portenkirchner . Bu test elektrodu daha sonra inert koşullar altında, elektrik yükü üretip üretmediği ve üretiyorsa bunun büyüklüğünü belirlemek üzere test edilir ve optimize edilirler. “Bir pil şarj olduğunda ya da boşaldığında iyonlar, bu durumda sodyum iyonları, elektrotların içine veya dışına hareket eder. Bu nedenle, güçlü bir pil geliştirmek için karşılık gelen malzemelerdeki sodyum iyonlarının tam olarak nasıl hareket ettiğini anlamalısınız. ” Yarım hücreli testler tatmin edici sonuçlar verirse, bilim adamları bir adım daha ileri gidip bir tam hücre üretecekler. “Ancak tatmin edici şekilde çalışıp konvansiyonel lityum-iyon pil ile karşılaştırılabilir enerji yoğunlukları sağlarsa , bu pil tasarımını daha sonra pazarlanabilir hale getirecek bir endüstriyel partnere verebiliriz ." 

İlk etapta kulağa bu denli basit bir şeymiş gibi gelen şey, organik ve bozularak tekrar kullanılabilir sodyum iyonları söz konusu olduğunda hala uzağımızda bulunuyor. "Sodyum-iyon piller şimdiden yarım ve tam hücre formunda iş görüyor ancak henüz lityum-iyon piller kadar güçlü değiller " diyor Portenkirchner. Kendisi sistemin rekabetçi olabileceğine inanarak bu sistemle ilgili temel araştırmalarını sürdürüyor.. 

Serbest Elektron Lazerinin Çalışma Prensibi

Serbest elektron lazerinde, elektronlar yüksek enerjilere sahip olacak biçimde hızlandırılır ve özel mıknatıs düzenlemeleriyle lazer özelliğine sahip  ve flaş şeklinde yanıp sönen çok parlak  bir ışık elde edilir. Böylece elimizde özellikle araştırmalar sahasında önümüze yeni perspektifler açan güçlü X-ışını lazerleri yaratılmış olur. 

Elektronlar bir eğrinin etrafında dolanırsa, ışık yayarlar. Modern ışınım kaynaklarında, parçacıklar slalomdaki zikzak harekete benzer patikalar üzerinde hareket edecek bir yola sokulur. Böylece gerçekleşen ışınım yani radyasyon son derece güçlendirilmiş olmaktadır. Serbest elektronlu lazerler (FEL), elektronların ortak modda ışık yaymasına imkan verecek şekilde tasarlanırlar. Sonuç, lazer ışığının özelliklerine sahip olan ve  flaş şeklinde yanıp sönen yüksek yoğunluklu ışınımdır. 

Serbest Elektron Lazerinin Yapısı

Serbest elektronlu bir lazerin ilk kısmı, elektronların neredeyse ışık hızına hızlandığı bir parçacık hızlandırıcıdır. İkinci bölümde, elektronlar özel manyetik alan oluşturan (ondülatör olarak adlandırılır) tertibat boyunca zikzağa benzer bir slalom hareketine zorlandıklarında etraflarına radyasyon yayarlar . Serbest elektron lazerlerinin bu yapısı modern senkrotron radyasyon kaynakları ile çok benzeşirler. Serbest elektron lazerindeki püf noktası, elektronların, ondülatörün manyetik alanı boyunca hareketleri sırasında , kendilerinin yaydıkları radyasyonla tam olarak aynı dalga boyuna sahip bir ışınım ile etkileşime giriyor olmasıdır. Netice olarak serbest elektron lazeri ile çok daha şiddetli bir ışık (ışınım )elde edilmektedir.  Bu ışık  (ki günümüzde röntgen (x ışını) dalga boyunda ve saniyede binlerce kez yanıp sönen  bir karakterdedir)  sayesinde  artık nano ölçekteki kristal ve moleküllerin yapısı ve özellikle işleyişi çok ayrıntılı bir şekilde incelenebilmektedir. Özellikle de kanser hastalığına sebep olan mekanizmaların çözülmesi mümkün olabilecektir. 

Mikro-Bunching (Mikro Demetle) 

Elektronların ışınım ile etkileşimi neticesinde, küçük ölçekte öbeklenme/demetlenmeler meydana gelir. Buna fizikte mikro-bunching adı verilir: Ondülatörün başlangıç safhasında tüm elektronlar aynı enerjiye sahiptir. Bu durum elektronların ışınım ile etkileşime girmesi neticesinde değişir. Işınım yükleri ya enerji kazanır ya da kaybeder. 

Şimdi, ondülatörde her elektron enerjisi için belirli bir slalom rotası ve her slalom rotası için ileri yönde belirli bir hız vardır. Bir kayak sporcusu bir vadiye doğru inişi sırasında slalom çubuklarına olabildiğince yakın bir mesafeden geçerken geniş yay yaparak geçmesine nazaran çok daha fazla hızlanır. Bu nedenle, enerji kaybetme veya kazanma elektronların ileri yönde hızlanmasını veya geride kalmasını sağlar. 

Serbest elektron lazerinde, elektronların hızı ve manyetik alan tertibatının şekli, yüklerin ondülatörde iki kutup çifti yol aldıktan bir dalgaboyu geri kalmalarını sağlayacak şekilde birbirlerine uygun hale getirilmiştir. Bu durumda, elektron yükleri ilk durumlarına geri dönmüştür; Öncesinde bir miktar enerji kaybetmiş olan elektron bu durumda yine frenlenmektedir. Diğer elektronlar buna karşın, özellikle ivmelenerek hızlanır. Bu durum tüm elektronların artık hiçbir enerji alışevirişinin gerçekleşmediği bölgeye itilinceye dek sürer gider. Böylece elektronlar küçük öbekler halinde bir araya gelmiş olurlar. 

Işık elektron paketini giderek bir krepi andıran küçük öbeklere ayırır. Bu öbekler arasındaki mesafe ışınımın dalga boyu kadardır. Elektronlar aynı ölçüde (öncekinden ne daha az ne daha fazla ) ışınım yapmaya devam eder. Yine de elektron öbeklerinin ışınımlarının mükemmel şekilde üstüste binmesiyle ortaya çok şiddetli ışık ortaya çıkar. 

Serbest elektron lazeri bir ışık kuvvetlendiricisidir. Elektronları küçük öbekler şeklinde şekil almaya zorlayan ışığın şiddetini kat ve kat arttırır. Ama serbest elektron lazerinin olmayan bir şeyi kuvvetlendirmeyeceği aşikardır. Bu teknik başlangıçta, doğru dalga boyuna sahip ve elektronları düzenleyen küçük bir ışık flaşına ihtiyaç duyar. 

Burada karşımıza iki seçenek çıkar: 

Dışarı kaynaklı bir ışık demeti kullanılması. Bu olasılığa aşılama (tohumlama) denir; bu durumda aşılanmış bir serbest elektron lazerinden bahsediyoruz. 

Bununla birlikte, elektronlar zik zak (ondulatörde) hareketi yaparak ilerlerken serbest elektron lazerinde kendiliğinden oluşan ışığın kullanılması da söz konusu olabilir. Bu etkiye SASE Self Amplification Of Spontaneous Emission yani Spontan Emisyonun Kendiliğinden Kuvvetlendirilmesi denir. 

2005 yılında Hamburg'daki DESY araştırma merkezinde faaliyete geçen Vakum Ultraviyole-Serbest Elektron Lazeri (VUV-FEL ) ve planlama aşamasında bulunan Avrupa X-ışını lazeri XFEL özünde birer SASE- Serbest Elektron Lazeridir. 'dir. Bu tesislerde Işık kuvvetlendirme sürecinin tümü tek seferde gerçekleştirilmek durumundadır. Bu durum çok uzun ondülatörleri zorunlu kılar. Vakum Ultraviyole-Serbest Elektron Lazerinde 30 metre uzunluğunda, Avrupa X-ışını Serbest Elektron lazerinde ise 150 metre uzunluğundadır. 

Serbest Elektron Lazerlerin Tarihçesi 

Serbest elektron lazeri ismini , bu tasarımda elektronların atomlara sıkıca bağlı olmamasından ve aksine manyetik alan tertibatı sayesinde serbestçe hareket etmesi gerçeğinden alır. Serbest elektron lazeri fikri ilk olarak 1971 yılında John M.J. Madey tarafından ortaya atıldı. Ancak, ilk uygulaması Stanford Üniversitesi'ndeki Madey ve meslektaşlarının ilk serbest elektron lazerini 6 yıl sonra gerçekleştirmeleriyle oldu. 

SASE fikri ilk olarak Anatoli M. Kondratenko ve Evgeni L. Saldin tarafından tartışıldı ve 1984 yılında Rodolfo Bonifacio, Claudio Pellegrini ve çalışma arkadaşları tarafından ayrıntılı olarak üzerinde çalışıldı . 2005 yılında DESY araştırma merkezinde , VUV-FEL ile SASE etkisinin metrenin 31 milyarda biri dalga boyunda meydana geldiği ispatlandığında mevcut durumdaki SASE-FEL dünya rekoru kırılmış oldu. alen bu rekor kırılamamıştır. XFEL X-ışını lazeri ile dalga boyu 400 kat daha küçük olacaktır.

Scent-O-Vision Teknolojisi Geliyor

Smell-o-Vision (Sinemalarda görüntüye kokuyla eşlik etme)  teknolojide bir süre için hep bir fantezi  veya şaka olarak görüldü, ancak smelldect projesi nihayet bu rüyayı gerçeğe dönüştürebilir. Almanya’nın Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü'ndeki bazı  araştırmacılar tarafından geliştirilen bu yeni sensör, kokuları bir insan burnundan daha hızlı tespit edebilen “elektronik bir burun” olarak lanse ediliyor. Smelldect projesinin geliştirdiği konsept akıllı telefonlarda uygulanabilir, ancak araştırmacılar sensörün bir ortam hava dedektörü, duman alarmı veya yiyecek alışverişi için kullanılabileceğini öne sürüyorlar.

Smell-o-Vision Teknolojisi Gelecekte Hayatımızın Bir Parçası Olacak Gibi Görünüyor

"Burun" un kendisi sadece birkaç santimetre büyüklüğünde ancak bu küçük paket karmaşık kokulara tepki veren nano liflerle doludur. Smelldect projesiyle, belirli kokuların saptanabilmesi  ve bir adım ileri gidecek olursak  kendisine bu analizi daha hızlı yapabilmesi için bazı örüntüleri öğretmek mümkün.

Yeni Lityum Pil Şarj Sürelerinde Devrim Yaratacak!

Elektrikli araçların yaygınlaşmasının önündeki en büyük engellerden biri, uzun şarj süreleridir. Yeni bir akü türü artık bu süreyi hızla kısaltıyor. 

Joule dergisinde söz konusu yenilikle birlikte “Bir kahve molası kadar kısa süren bir şarj süresi” vaad ediyor Xiao-Guang Yang ve Pennsylvania State University'deki ekibi. Buna göre yeni geliştirilen lityum pilleriyle sadece on dakika içinde tam şarj ve 480 kilometrelik menzile ulaşabilmek mümkün.  Bu nedenle, bu piller, örneğin ünlü Tesla firmasının “Supercharger" (ki firmanın verdiği bilgiye göre şarj olması hala 45 ila 50 dakika arasında zaman almaktadır) ından çok daha hızlı bir şarja imkan vermekte.

Anodu Nikel ile Kaplanmış Yeni Lityum İyon Pillerle Hızlı Şarj Artık Pil Ömrünü Kısaltmayacak.

Yang ve Co bunu bataryaların grafit anotlarında bir değişiklik yaparak başardılar. Tasarım ekibi bu anotları ince bir nikel film ile kapladı. Bu sayede bugüne kadar pillerin şarj edilmesinde karşılaşılan en büyük sorun olan hızlı "şarj sırasında lityum iyonlarının elektrotlarda birikmesi" durumu önlenmiş olmaktadır. Lityum piller, birim zaman başına yalnızca belirli bir şarj gücüne sahip olabilmektedir; eğer bu değer aşılırsa, pil için zararlı bir süreç başlar. Hızlı şarj için gereken 400 kilovat ise bu eşiğin çok üzerinde. 

Bununla birlikte, düz yüzeyli lityum birikintileri nedeniyle, sadece şarj kapasitesi uzun vadede azalmakla kalmaz, aynı zamanda kısa devrelere ve akü yanmalarına neden olabilecek güçlü bir ısıya yol açar. Yeni geliştirilen pili hızlı ve kısa bir süre için 60 santigrat dereceye kadar ısıtınca bu olayın gözlemlenmediği ve  bunun pile zarar vermeden 400 kilovat değerine ulaşılabildiği görülmüştür. Bu bataryalara elektrik akımı verildiğinde, akımın önce sadece nikel folyodan aktığı ve bir dakikadan daha kısa bir sürede pili 60 derece sıcaklığa ulaştırdığı görülür. Yeterince sıcak olduğunda nikel kısım devre dışı bırakılır. Artık akım tümüyle şarj maksadıyla pile akmaktadır. Pil dolduğunda sıcaklığı hızla oda sıcaklığına düşer ve kullanım süresince bu sıcaklığı korur ki bu da olası zararların mümkün olduğunca minimize edildiği manasına gelir. 

Testlerde, yeni geliştirilen pil ilk 1700 şarj işlemi sonunda kapasitesinin sadece beşte birini kaybetmiştir. Aynı pilin nikel koruması olmadan, 60 hızlı şarj döngüsünden sonra pil kullanılamaz hale geldiği görülecektir. Son tahlilde, yeni üretilen bu pil elektrikli araç üzerinde kullandıldığında tekrar şarj kablosuna yeniden bağlanmadan önce 480 kilometrelik bir menzile ulaşabilmeyi mümkün kılmıştır. Bu yeniliğin maliyetinin çok olmadığı ve pilleri şu anki fiyatlarından sadece 0,5 % daha yüksek bir fiyatlandıracağı ifade edilmektdir. Üstelik şu an dikkate alınması gereken bir maliyet unsuru olan soğutma maliyetleri gerilemektedir.