Son zamanlarda, enerji depolama ve elektrikli mobilite alanlarında, sodyum iyon pillerin popülaritesi artmaktadır. Ancak, bu pillerin geniş çapta kullanılabilmesi için bazı engellerin aşılması gerekmektedir.
Sodyum İyon Piller Nedir, Nasıl Çalışır ve Ne İşe Yarar?
Sodyum, periyodik tablonun 1. Grubunda yer alan bir alkali metaldir, lityum gibi. Bu iki metal, periyodik tablonun ilk sütununda sıralıdır ve benzer fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptirler.
Bu benzerlikler, araştırmacıları sodyum piller üzerinde çalışmaya itmiştir, ki bu çalışmalar lityum piller üzerindekilerle aynı döneme, yani 1970-1990 yılları arasına denk gelir. Ancak, lityum piller daha büyük bir başarı elde ettiğinde, sodyum piller ikinci plana atılmıştır.
Sodyum Piller ile Lityum Piller Arasındaki Benzerlikler
Sodyum iyon piller ile lityum iyon pillerin temel çalışma prensipleri neredeyse aynıdır ve sodyum iyon teknolojisinde kullanılan birçok elektrot malzemesi, lityum iyon teknolojisinden ödünç alınmıştır.
Her iki teknoloji de enerjiyi taşımak ve depolamak için iyonları kullanır. Şarj aşamasında, elektrik akımı sodyum iyonlarını elektrolit ve ayırıcı aracılığıyla katottan (pozitif elektrot) anoda (negatif elektrot) doğru taşır. Deşarj sırasında ise iyonlar katoda doğru geri döner ve dış devrede bir elektron akışı oluşarak, elektrik akımı yön değiştirir.
Katot, bir pilin pozitif kutbu olup katot malzemesi (örneğin LFP, NMC) ve akım toplayıcıdan oluşur. Pilin negatif kutbu olan anot, anot malzemesi (örneğin karbon veya grafit) ve akım toplayıcıdan oluşur.
Bir sodyum hücresi, temel olarak sodyum içeren bir malzemeden oluşan bir katot, genellikle karbondan yapılmış bir anot ve iyonik formda sodyum atomları içeren bir sıvı elektrolitten oluşur. Elektrolit, hücrenin iç hacmini dolduran, katot ile anot arasında iyonların hareket etmesini sağlayan organik bir sıvıdır.
Lityum piller ve sodyum piller arasındaki farklar nelerdir?
Sodyum piller ile lityum piller arasında kimyasal açıdan önemli farklılıklar bulunmaktadır. Bir sodyum katyonunun atom yarıçapı, lityum muadilinden 0,3 Å daha büyüktür. Bu durum, sodyumun atom ağırlığının ve kütlesinin lityumunkinden 3 kat daha büyük olduğu anlamına gelir.
Bu farklılık, teknik sorunlara yol açar: Anot ve katot arasındaki harekette, sodyum atomunun kütlesinin lityumunkinden 3 kat daha büyük olması, hücrenin yüksek oranda bozulmasına neden olur.
Sonuç olarak, sodyum pillerin çevrim ömrü kısa ve lityum piller kadar iyi performans göstermez. Çünkü lityum pillerde yaygın olarak kullanılan anot malzemesi olan grafit, sodyum iyonuyla geri dönüşü olmayan bozunma reaksiyonuna maruz kalarak kısa sürede ömrünü tüketir. Bu nedenle, uygun bir anotun belirlenmesi sodyum pillerin ömrünü uzatmak için önemlidir.
Ayrıca, sodyum iyonlarının standart indirgeme potansiyeli lityuma göre daha düşüktür, yani elektron kazanma eğilimleri daha düşüktür. Bu durum, sodyum pilin daha düşük bir maksimum voltaj sağlayabileceği anlamına gelir. Sodyum pilin nominal voltajı 2,3–2,5V iken lityumun ki 3,2–3,7V’dir. Bu nedenle, sodyum pil, lityum pile göre %40 daha az enerji depolayabilir.
Sodyum iyon pillerin artıları ve eksileri
Lityum doğada bazı kayalarda ve tuzlu sularda bulunsa da, yer kabuğunda bulunan miktarı sonsuz değildir. Ayrıca, lityumun çıkarılması enerji gerektirir. Bu durum, lityum talebinin yükselmesiyle birlikte fiyatının artmasına neden oldu ve lityuma “beyaz altın” lakabı takıldı. Gelecekte lityum pillere olan talebin artması muhtemel görünüyor. Ancak, bu durum, ham madde mevcudiyeti ve sadece bu kimyaya dayalı bir ekonominin sürdürülebilirliği konusunda sorular ortaya çıkarıyor. Peki, sodyum piller lityuma alternatif olabilir mi? Sodyum pillerin artılarını ve eksilerini daha derinlemesine inceleyelim.
Avantajları:
- Bol miktarda bulunabilir.
- Düşük maliyetlidir.
- Emniyetlidir.
- Düşük sıcaklık direncine sahiptir.
- Çevre üzerinde düşük etkiye sahiptir.
Sodyum iyon pillerin en büyük avantajlarından biri, pilleri oluşturan hammaddelerin doğada yaygın olarak bulunabilmesidir. Sodyum, yer kabuğunda en bol bulunan altıncı elementtir. Bu özellik, sodyum pillerini ekonomik açıdan rekabetçi kılar ve üreticiler için önemli bir husustur.
Sodyum piller aynı zamanda yüksek güvenlik standartları sağlar çünkü bu kimyasal elemente dayanan hücreler yanıcı değildir. Ayrıca, patlama veya kısa devre yapma eğilimleri de düşüktür. Bu piller aşırı yüksek ve düşük sıcaklıklara dayanabilir ve -20°C ila 60°C aralığında çalışabilirler. Oysa lityum piller için optimum çalışma sıcaklığı aralığı genellikle 0°C ila 50°C arasındadır. Hammaddeler doğada kolayca bulunabilir ve düşük maliyetlerle ve düşük enerji kullanımıyla çıkarılabilir; bu da sodyumu çevreye etkisi düşük bir malzeme haline getirir.
Dezavantajlarına gelince, sodyum pillerin en büyük dezavantajı enerji yoğunluğudur, yani pilin hacmine göre depolanan enerji miktarıdır. Sodyum pillerinin enerji yoğunluğu genellikle 140 Wh/kg ile 160 Wh/kg arasında değişir. Bu değer, 180 Wh/kg–250 Wh/kg yoğunluğa sahip lityum iyon pillere kıyasla bir miktar düşüktür.
Pratik kullanımını engelleyen bir diğer önemli faktör ise kısa ömürleridir. Hızlı bozunmanın temel nedeni, sodyum iyonlarının lityum iyonlarından 3 kat daha büyük olmasıdır. Sodyum iyonları, anot ve katot arasındaki harekette daha büyük mekanik stres oluşturarak, birkaç döngüden sonra grafitin (anot malzemesi) tahrip olmasına neden olur.
Sodyum iyon pillerin kullanım alanları
Sodyum piller, performanstan ziyade ekonomik faktörlerin daha önemli olduğu uygulamalarda lityum pillere alternatif olabilir. Daha spesifik olarak, düşük maliyetler ve düşük enerji yoğunluğu, sodyum iyon pillerini özellikle sabit uygulamalar ve enerji depolama sistemleri için uygun hale getirir. Güneş ve rüzgar gibi kesintili enerji kaynaklarında, uygun fiyatı ve yüksek güvenliğiyle sodyum bataryalar enerji depolama için uygun bir aday olarak öne çıkar.
Sodyum-iyon teknolojisi, düşük çevrim ömrü nedeniyle bu alanda henüz çok yaygın değildir ve bu uygulamaların gerektirdiği yüksek şarj ve deşarj çevrimlerini hala karşılayamamaktadır. Ancak sodyum iyon pillerin çevrim ömrünü artırmak için çalışmalar devam etmekte ve bu alanda ilerlemeler kaydedilmektedir.
Sodyum iyon teknolojisinin görünümü
Tahminlere göre, sodyum iyon pil pazarının önümüzdeki 10 yıl içinde yılda %27 oranında büyümesi beklenmektedir. Yıllık üretimin 2025’te 10 GWh’den 2033’te yaklaşık %600 artarak yaklaşık 70 GWh’ye çıkması beklenmektedir.
Sodyum ve lityum hücrelerinin üretimi için büyük ölçüde aynı teknolojilerin kullanılması, üretim hatlarını dönüştürme olanağı sunmakta ve bunu daha da uygun maliyetli hale getirmektedir, bu da sodyum iyon teknolojisinin daha yaygınlaşmasına katkı sağlamaktadır.
Her ne kadar sodyum iyon piller hala çözülmesi gereken bazı problemler gösterse de, elektrifikasyon dünyasında bu bataryalara olan ilgi o kadar artmıştır ki, pil üretimi alanındaki büyük uluslararası oyuncular bu teknolojiye ilgi göstermektedir.
Dünyanın en büyük elektrikli araçlara yönelik lityum iyon pil ve enerji depolama sistemleri üreticisi olan CATL, sodyum iyon kimyasını inceleyerek, üretimini farklılaştırmak için yatırım yapacağı yeni teknolojilerden biri olarak sunmuştur. Şu anda lityum iyon pillerde elde ettiği pazarın bir bölümünü sodyum iyon pillerle değiştirmenin, lityum pillerin fiyatını önemli ölçüde düşüreceğini öngörmektedir.
CATL, sodyum pillerin dezavantajlarını aşmak için yenilikçi bir fikir olan hibrit bir pil paketi önermiştir. Bu yöntemde, sodyum ve lityum iyon piller belirli oranlarda karıştırılarak tek bir batarya paketine entegre edilir ve farklı pil kimyalarını kontrol etmek için akıllı bir Batarya Yönetim Sistemi (BMS) kullanılır. Böylece iki batarya tipinin avantajlarından faydalanılır. Proje henüz deneme aşamasındadır, ancak tüm sektörün dikkati Çinli şirketin üzerindedir.
Bunun dışında, İsveçli batarya üreticisi Nortvolt da sodyum iyon pil geliştirdiğini duyurmuştur. Üretici, 160 Wh/kg yoğunluğa sahip olan hücrelerin kWh başına 100-150 kg CO2 emisyonuna sahip mevcut pillere kıyasla, kWh başına 10-20 kg CO2 ile önemli ölçüde daha düşük bir karbon ayak izine sahip olduğunu belirtmiştir. Nortvolt, ilk sodyum iyon pil örneklerini gelecek yıl müşterilerine sunmayı planlamaktadır ve on yılın sonunda tam ölçekli üretime ulaşmayı hedeflemektedir.
BYD, Stellantis gibi otomobil üreticileri de sodyum bataryalara ilgi duymakta ve son dönemde bu alana yatırım yapacaklarını duyurmuşlardır.
Çözülmesi gereken bazı kritik sorunlara rağmen, sodyum iyon teknolojisi kesinlikle gelecekte önemli bir rol oynayacaktır ve batarya pazarında giderek daha fazla yer edinmektedir. Katı hal pilleri ve diğer yeni teknolojiler gibi, bu alandaki araştırmalar hızla devam etmekte ve büyük ölçekte üretime yönelik yatırımlar yapılmaktadır.
Yorumlar