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..