Lityum iyon piller Nobel Ödülü getirdi

Lityum iyon piller Nobel Ödülü getirdi

Dijital dünyanın bel kemiği lityum iyon pilin üç mucidi, Nobel Kimya Ödülü’nün sahibi oldular. Peki nedir bu lityum iyon piller? Bildiğimiz pillerden farkı ne?

Amerikalı John B. Goodenough, İngiliz M. Stanley Whittingham ve Japon Akira Yoshino… İlk duyduğunuzda muhtemelen herhangi bir çağrışım yapmayan bu üç isim, çok değerli üç bilim insanına ait. Hatta şöyle söyleyelim: Bu üç değerli bilim insanı olmasaydı, belki de bu makaleyi şu an olduğu gibi diz üstü bilgisayarınızdan, akıllı telefonunuzdan ya da tabletinizden rahatça okuyamayacaktınız.

Mobil cihaz teknolojilerinin bel kemiği sayılan lityum iyon pillerin mucidi olan bu üçlü, bu buluşla bakın hayatımızda neleri değiştirmişler?

Nedir bu lityum iyon pilin alametifarikası?

Akıllı telefon bataryaları
Akıllı telefonlarımızda lityum iyon piller kullanılıyor.

Tekrar şarj edilebilir (ikincil piller) olarak da bilinen lityum iyon pillerin, klasik pillerden en büyük farkı, deşarj olduktan sonra sayısız defa kullanılabilmeleri. Tekrar şarj edilebilen lityum iyon pillerde, hücreler diğer pil sistemlerinde olduğu gibi enerjiyi üretmek ve depolamaktan birincil derece sorumlu üç ana bileşenden oluşur. Bunlar anot, katot ve elektrolit olarak sıralanabilir. Anot malzeme negatif elektrot, katot ise pozitif elektrot olarak görev alır. Pozitif elektrotlar genelde tünel veya tabakalı yapılara sahip metal oksitlerden (LiMOx) oluşurlar. Negatif elektrot malzemeler ise tabakalı yapılara sahiptir. Bu yapılar sayesinde hücrenin / pilin şarjı ve deşarjı esnasında, Li iyonları pozitif ve negatif elektrotları arasında karşılıklı olarak yer değiştirir.

Bu yer değiştirme (topotaktik) reaksiyonu olarak tanımlanır. Bu reaksiyonda aktif malzemeler anot ve katot olup lityum için ev sahipliği görevini görürken lityum ise misafir olarak bir elektrottan diğerine yer değiştirir. Bu çalışma prensibi sayesinde hem daha hızlı, hem uzun ömürlü hem de enerji verimliliği yüksek bir enerji kaynağı olma vasfını kazanan lityum iyon piller, tüm bu vasıfları sayesinde insanoğlunun çevre kirliliği ile savaşında elini güçlendiren önemli bir enstrümandır.

ABD’li Petrol devi lityum iyon pillerin ilk destekçilerindendi

Fabrikaların yarattığı çevre kirliliği
Fabrikaların yarattığı çevre kirliliği.

1970’li yıllarda dünya enerji devlerinden biri olan ABD’li Exxon’da alternatif enerji araştırmaları yürüten İngiliz kimyager Stanley Whittingham da pek çok bilim insanı gibi giderek büyüyen petrol krizine ve çığırından çıkan çevre kirliliğine fazlasıyla kafa yoruyordu. Başarılı bilim insanı bu yüzden yüklü iyonları içinde tutabilen çeşitli süper iletken malzemeler üzerinde çalışıyordu. Bu konuda yüzlerce deney yapan Stanley Whittingham, bir deneyinde potasyum iyonları ile tantal disülfür arasındaki etkileşimin oldukça güçlü olduğunu fark etti. Çalışmanın üçüncü fazında tantalı daha hafif olduğu için titanyum ve lityumla değiştiren Whittingham, en iyi sonucu lityumla aldı ve tarihteki ilk lityum iyon pilin taslağı bu şekilde ortaya çıktı.

Lityum iyon pillerle ilgili sevindirici gelişmelerin ardı arkası kesilmiyordu. Çünkü Stanley Whittingham, o dönem çalıştığı Exxon’un üst yöneticilerini bu pili araç çalıştıracak kadar büyük ölçekte üretip piyasaya sunmaya ikna etmişti. Ancak ne yazık ki işler planlandığı gibi gitmeyecekti. Çünkü bir süre sonra düşen petrol fiyatları Exxon’un bu iddialı projeden el çekmesine sebep oldu.

Üç farklı disiplin, üç ayrı insan, tek mucize

Lityum iyon pillerin gelişiminde parmağı olan üç bilim adamı
Lityum iyon pillerin gelişiminde parmağı olan üç bilim adamı.

Görsel Kaynak: www.xinhuanet.com

Exxon’un projeden el çekmesi ile yola yalnız devam etmek durumunda kalan Whittingham, aslında bu işte hiç de yalnız olmadığını çok yakında öğrenecekti. Çünkü 80’li yılların başında Oxford Üniversitesi’nde çalışan Amerikalı malzeme bilimcisi John B. Goodenough, kendi araştırma ekibi ile Amerika’daki İngiliz meslektaşının çalışmalarını nasıl daha ileriye taşıyabileceğini düşünüyordu. Küçük bir dokunuşla lityum iyon pilin içinde metal sülfür yerine metal oksit kullanmaya karar veren John B. Goodenough, bu katkısıyla Whittingham’ın ürettiği ilk pilin enerji kapasitesini tam iki katına çıkarmayı başardı! Yani bir bakıma dijital dünyayı ayakta tutan hafif ve yüksek verimli bataryaların temelini de Goodenough atmış oldu.

Lityum iyon bataryaların tıpkı şimdi olduğu gibi güvenli ve uzun ömürlü olmasının ardındaki isim ise Nagoya Üniversitesi’nde kimya profesörü olarak görev yapan Japon Akira Yoshino oldu. Goodenough’un geliştirdiği yüksek enerji kapasiteli bataryayı revize ederek, batarya içinde kimyasal tepkimeleri ortadan kaldıran Yoshino, bu katkısıyla lityum iyon bataryaların yanmamasını, patlamamasını ve uzun yıllar boyunca güvenle kullanılmasını sağlayan dokunuşu yaptı.

Hayatımızın her yerinde

Üç ayrı kıtada, üç birbirinden farklı bilim insanının emsalsiz katkılarıyla bugünkü haline ulaşan lityum iyon piller bugün cep telefonu, tablet, bilgisayar, küçük ev aletleri ve her türlü elektrikli taşıtta güvenle kullanılıyor. Dünyada yaşanan küresel iklim değişikliği ve petrol sıkıntılarına bağlı olarak daha da artması beklenen elektrikli araç talebine bağlı olarak, lityum iyon pil teknolojisi de her geçen gün biraz daha gelişiyor.

batarya
Lityum iyon piller bataryalarda da kullanılıyor.
Son olarak Japon teknoloji devi Toshiba’nın gerçekleştirdiği ar-ge çalışmaları sonucunda ortaya çıkan yeni nesil bataryalarda yumuşak bir metal olan niyobyum oksit anotlara yer verildiği belirtiliyor. Bu madde, kristal yapısı sayesinde, günümüzde yaygın elektrikli araçlarda kullanılan karbon bazlı bataryalara göre daha fazla lityum iyonu depoluyor. Sonuç olarak depolanan ekstra lityum da araçların menzilini artırıyor.