Alüminyum hava pilleri yeni enerji kaynağı olabilir mi?

Dünya, fosil yakıtları terk edip daha çevre dostu enerji kaynaklarına yöneliyor. Bu alanda en önemli konulardan birini ise mobil cihazlardan elektrikli araçlara kadar birçok alanda kullanılan bataryalar oluşturdu.

Tarihi olarak kurşun-asit bataryalar yerini nikel-kadmiyum bataryalara, onlar da yerini nikel-metal hidrit bataryalara bırakmıştı. Sonrasında lityum-iyon bataryalar ve lityum-sülfür bataryalar tüketiciye sunuldu.

Bugün en yoğun kullanım, hızlı şarj edilebilmesi, daha yüksek verim sağlaması ve tamamen boşalmadan yeniden doldurulabilmesi gibi avantajlarıyla lityum-iyon bataryalarda görünüyor. Telefon, tablet gibi mobil cihazlar, elektrikli otomobil, otobüs, deniz taşıtları hatta uçaklar lityum-iyon bataryalar kullanıyor.

Alüminyum-hava pilleri yeni bir alternatif

Ancak son yıllarda özellikle "alüminyum-hava pilleri" konusunda yapılan çalışmalar, tüm sektörlerde heyecana neden oldu. Lityum kısıtlı bulunan bir maden olmasına rağmen, alüminyum Türkiye’nin de aralarında bulunduğu birçok ülkede bol miktarda bulunuyor. Aynı zamanda “lityum-iyon pillerden 40 kat fazla enerji depolaması”, “100 kata kadar daha hızlı şarj edilebilmesi” gibi avantajları olduğu öne sürülüyor.

Bu da aynı büyüklükte batarya ile çok daha uzun menzil yapılabilmesi, çok hızlı şarj olan bir telefonu günlerce kullanabilme anlamına geliyor. Dezavantajları arasında ise “çok fazla geri dönüşüm gerektirmesi” ve “henüz teknolojinin son kullanıcı için uygun olmaması” gösteriliyor.

Uzmanlar ne diyor?

Sabancı Üniversitesi, Türkiye’de Batarya Bilimi ve Mühendisliği yan dal programına sahip tek okul. Üniversitenin Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi öğretim üyeleri Dr. Selmiye Alkan Gürsel, Dr. Alp Yürüm ve Dekan Yardımcısı Burç Mısırlıoğlu, alüminyum-hava pillerine ilişkin soruları TRT Haber için yanıtladı. Uzmanlara göre, alüminyum-hava bataryaları önemli bir potansiyel taşıyor ancak daha alınacak epey mesafe var.

Alüminyum-hava pilleri nedir?

Akademisyenlerin alüminyum-hava pilleriyle ilgili görüşleri özetle şöyle:

“Metal-hava (ya da oksijen) pillerinin bir çeşidi. Metal hava pillerinin geleneksel pillere göre enerji yoğunluğu fazla. Metal hava pillerinin en tipik örneği çinko hava pilleri ve yıllardır işitme cihazları gibi özel alanlarda kullanılıyor. Çinko hava pilleri genellikle şarj edilemez. Enerji yoğunluğu kurşun asit pillerin yaklaşık 5 katı ve lityum-iyon (lityum-iyon) pillerle benzer seviyededir. Alüminyum-hava pillerinin pratik enerji yoğunluğu ise çinko-hava (ve lityum-iyon) pillerin yaklaşık 2 katı. Fakat bu pillerin şarj/deşarj ömrü korozyondan dolayı kısıtlı. Pilin eksi tarafı (anot) alüminyum metaliyken, artı tarafı (katot) ise ortamdaki oksijen ile reaksiyona giren gözenekli bir malzemedir. Şarj reaksiyonu çok verimli değildir. Şarj etmek için 100 birim enerji harcanıyorsa, bunun yaklaşık olarak 75 birimi pili şarj etmek kullanılır, kalan kısım ise direnç vb. sebeplerden dolayı kayıp olarak karşımıza çıkar.

Pilin eksi tarafında (anot) elektron sağlayan bir reaksiyon varken, artı tarafında (katot) elektron kullanan bir reaksiyon var. Bu reaksiyonlar sırasında ortaya serbest elektronlar ve iyonlar çıkar, elektronların anottan katota akışı bir ekipman vs. için gerekli elektrik gücünü sağlar. Normal pillerde bu reaksiyon kapalı bir sistemde gerçekleşir. Alüminyum-hava pillerde ise ‘açık’ bir sistemdir çünkü bu pillerde enerji üretiminin devam etmesi için dışarıdan sürekli oksijen alınması gerekir. Bu açıdan alüminyum-hava pilleri, yakıt pilleri ile benzeşir. Alüminyum metalinin hafif olması ve oksijen reaksiyonun çok elektron sağlaması, bu pillerin enerji yoğunluğunun yüksek olmasına sebep olur ama istenmeyen reaksiyonlar da gerçekleşir, bu da alüminyum-hava pillerinin verimini ve ömrünü düşürür.”

Hangi çalışmalar yapılıyor?

“Bu teknolojiyle ilgili üç farklı alanda çalışmalar sürdürülüyor; anot, katot ve elektrolit… Anot kısmında farklı alaşımlar ile istenmeyen yan reaksiyonların azaltılması öncelikli araştırma konuları. Katot tarafında ise daha etkili oksijen reaksiyonları için katalizörler geliştiriliyor. Bununla birlikte oksijen gazının akışı için gözenekli ve iletken yapılar da araştırılmaktadır. Su bazlı elektrolitler yerine organik solventler veya katı hal elektrolitler de araştırılan konular. Sabancı Üniversitesi bünyesinde de metal-hava pilleri için oksijen katalizörleri, gözenekli katot yapıları ve katı hal polimerik elektrolitler konusunda çalışmalar yapılıyor.”

Umut verici bir teknoloji

“Alüminyum-hava pillerinin, gelecekte tüketici ihtiyaçlarını karşılayabilme potansiyeli var. Elektrikli araçlardan askeri sistemlere kadar geniş uygulama yelpazesi, çevreye zarar vermeyen pil reaksiyonları ve alüminyumun ucuz ve bol miktarda olması, bu pilleri geleceğin umut verici bir batarya teknolojisi yapıyor. Ancak mevcut alüminyum-hava pil teknolojisi, elektrotların ve elektrolitlerin endüstriyel ölçekte üretimini sağlamak için hala iyileştirmelere ihtiyaç duyuyor.”

Optimizasyona odaklanılmalı

“Alüminyum-hava pili ile ilgili araştırmalar, katot, anot, elektrolit ve diğer pil bileşenlerinin, endüstriyel ölçekte kolayca üretimini, iyi performans göstermesini ve ekonomik olmasını sağlamak için optimize edilmesine odaklanmalıdır.”