Sodyum iyonlu piller, büyük miktarda enerjiyi depolamak için daha sürdürülebilir bir yol sunabilir ve yeni bir araştırma bu pillerin ileride çok daha değerli bir amaç için kullanılabileceğini gösteriyor: Deniz suyundan tuzu arındırmak.
Surrey Üniversitesi'ndeki bilim insanları, sodyum tabanlı bir pil malzemesinin doğal su içeriği yerinde bırakıldığında çok daha iyi performans gösterdiğini keşfetti. Pil araştırmacıları, nemi genellikle pil malzemelerine zararlı gördükleri için bu suyu çıkarmayı tercih eder. Ancak bu durumda, suyu malzemenin içinde bırakmak performansta dramatik bir iyileşme sağladı.
Lityuma Kıyasla Çok Daha Bol Bulunan Bir Alternatif
Lityum iyonlu piller günümüzde çoğu akıllı telefonu, dizüstü bilgisayarı, elektrikli aracı ve birçok büyük enerji depolama sistemini çalıştırıyor. Yüksek miktarda enerji depolayabilseler de lityum ve bu pillerde kullanılan diğer bazı malzemelerin elde edilmesi pahalıya mal olabiliyor ve önemli çevresel maliyetler taşıyabiliyor.
Sodyum ise çok daha yaygın ve geniş bir alana dağılmış durumda. Deniz suyunda, tuz yataklarında ve birçok mineralde bulunan sodyum, düşük maliyetli enerji depolama için cazip bir aday konumunda. Sodyum iyonlu piller, lityum iyonlu pillere benzer bir şekilde çalışıyor; pil şarj olurken ve deşarj olurken yüklü sodyum parçacıkları iki elektrot arasında hareket ediyor.
Ancak ana engel performans olmuştu. Birçok sodyum iyonlu pil malzemesi, depoladıkları şarj miktarı, şarj olma hızları veya ne kadar süre kullanışlı kaldıkları konusunda henüz lityum iyonlu teknolojiyle yarışamıyor.
Malzemenin İçinde Su Bırakmak Performansı Artırdı
Journal of Materials Chemistry A dergisinde yayımlanan bir çalışmada araştırmacılar, yıllardır incelenen sodyum içeren bir malzeme olan sodyum vanadyum oksiti inceledi.
Odak noktaları, nano yapılı sodyum vanadat hidrat (NVOH) adı verilen bir formdu. Hidrat kelimesi, su moleküllerinin malzemenin yapısına entegre olduğunu ifade ediyor. Nano yapı ise, iyonların pil içindeki hareketini güçlü bir şekilde etkileyebilecek şekil ve düzenleme değişikliklerinin meydana geldiği son derece küçük ölçekteki mühendislik özelliklerini ifade ediyor.
Ekip, suyu uzaklaştırmak için malzemeyi ısıtmak yerine, su içeride kaldığında ne olacağını test etti.
Sonuç büyük bir gelişme oldu. Hidratlı malzeme çok daha fazla şarj depoladı, çok daha hızlı şarj oldu ve 400'den fazla şarj döngüsü boyunca güvenilir bir şekilde performans göstermeye devam etti. Bir şarj döngüsü, pilin şarj olmaktan deşarj olmaya ve tekrar geriye uzanan tam bir kullanımını temsil ediyor.
Laboratuvar testlerinde, su içeren versiyon tipik sodyum iyonlu malzemelere göre neredeyse iki kat daha fazla şarj tuttu. Bu performans seviyesi, onu bu tür piller için rapor edilen en güçlü katot malzemeleri arasına yerleştirdi.
Katot, bir pilin iki ana elektrodundan biridir. Yüklü parçacıkları depolamada ve serbest bırakmada merkezi bir rol oynar, bu nedenle katodu iyileştirmek pilin genel kapasitesini ve performansını önemli ölçüde artırabilir.
Surrey Üniversitesi Kimya ve Kimya Mühendisliği Okulu'nda Araştırma Görevlisi ve makalenin baş yazarı Dr. Daniel Commandeur şunları söyledi:
"Sonuçlarımız tamamen beklenmedikti. Sodyum vanadyum oksit yıllardır ortalıkta ve insanlar genellikle suyu uzaklaştırmak için onu ısıl işleme tabi tutuyor çünkü sorunlara yol açtığı düşünülüyor. Bu varsayıma meydan okumaya karar verdik ve sonuç beklediğimizden çok daha iyi oldu. Malzeme, beklenenden çok daha güçlü bir performans ve kararlılık gösterdi ve hatta bu pillerin gelecekte nasıl kullanılacağına dair heyecan verici yeni olasılıklar yaratabilir."
Pil Malzemesi Tuzlu Suda da İşe Yaradı
Araştırmacılar daha sonra malzemeyi, pil bileşenleri için özellikle zorlu bir ortam olan tuzlu suya yerleştirdi. Tuzlu su istenmeyen kimyasal reaksiyonları tetikleyebilir ve iyonların hareketini engelleyerek birçok malzemenin düzgün çalışmasını zorlaştırabilir.
Tüm bu koşullara rağmen, sodyum vanadat hidrat etkili bir şekilde çalışmaya devam etti.
Sistem aynı zamanda çözünmüş tuzu uzaklaştırmaya da başladı. Sodyum tabanlı malzeme sudan sodyumu çekerken, grafit bir elektrot klorürü uzaklaştırdı. Sodyum ve klorür, sofra tuzunun iki ana yüklü bileşenidir.
Bu sürece elektrokimyasal tuzdan arındırma deniyor. Sadece basıncı veya ısıyı kullanarak tuzu sudan ayırmak yerine, elektrokimyasal tuzdan arındırma işlemi yüklü tuz parçacıklarını çözeltiden çekmek için elektriksel reaksiyonları ve özel olarak seçilmiş elektrotları kullanıyor.
Dr. Commandeur sözlerini şöyle sürdürdü:
"Sodyum vanadat hidratı tuzlu suda kullanabilmek gerçekten heyecan verici bir keşif, çünkü sodyum iyonlu pillerin sadece enerji depolamaktan daha fazlasını yapabileceğini gösteriyor; aynı zamanda sudan tuzu uzaklaştırmaya da yardımcı olabilirler. Uzun vadede bu, deniz suyunu tamamen güvenli, ücretsiz ve bol bir elektrolit olarak kullanan ve aynı zamanda sürecin bir parçası olarak tatlı su üreten sistemler tasarlayabileceğimiz anlamına geliyor."
Elektrolit, yüklü parçacıkların bir pilin elektrotları arasında hareket etmesine izin veren maddedir. Çoğu ticari pil, özel olarak formüle edilmiş sıvı veya katı elektrolitler kullanır. Deniz suyu nihayetinde bu rolü güvenli ve etkili bir şekilde üstlenebilirse, malzeme maliyetlerini düşürebilir ve sisteme ikinci bir işlev kazandırabilir.
Tek Teknoloji Hem Enerji Depolayabilir Hem de Tatlı Su Üretebilir
Bu bulgular, enerji depolamayı su arıtma ile birleştiren gelecekteki cihazların yolunu açıyor. Bu tür sistemler, potansiyel olarak güneş panellerinden veya rüzgar türbinlerinden gelen elektriği depolarken aynı zamanda deniz suyundan tuzu arındırabilir.
Bu durum, tatlı suya erişimin sınırlı olduğu ancak deniz suyu ve yenilenebilir enerjinin kolayca bulunabildiği kıyı bölgelerinde özellikle faydalı olabilir. Ancak araştırma henüz erken bir aşamada ve bu yaklaşımın ticari pillerde veya büyük tuzdan arındırma sistemlerinde kullanılabilmesi için daha fazla teste ihtiyaç var.
Bu keşif, sodyum iyonlu pillerin lityum tabanlı teknolojiye bir alternatif olarak haklılığını da güçlendirebilir. Sodyum bol miktarda bulunduğundan ve nispeten ucuz olduğundan, sodyum iyonlu sistemler elektrik şebekesinde yenilenebilir enerjiyi depolamak veya elektrikli araçları çalıştırmak için daha güvenli ve daha sürdürülebilir bir seçenek haline gelebilir.
Surrey ekibinin yöntemi ayrıca pil üretimini de basitleştirebilir. Üreticiler, malzemeden suyu uzaklaştırmak için başka bir üretim adımı eklemek yerine, suyu yerinde bırakarak daha iyi bir performans elde edebilirler.
Araştırmacılar, nem konusunda uzun süredir devam eden bir varsayıma meydan okuyarak, mevcut bir pil malzemesini iyileştirmek için basit bir yol buldular. Sonuçları, yüksek performanslı sodyum iyonlu enerji depolamayı pratik kullanıma yaklaştırıyor ve tek bir cihazın hem temiz enerjiyi depolayabileceği hem de deniz suyunu tatlı suya dönüştürmeye yardımcı olabileceği bir geleceğe işaret ediyor.
