Sodyum iyon pillerin, güç depolama ve elektrikli mobilite alanlarında popülaritesi son vakitlerde arttı. Lakin bu pillerin, yaygın kullanıma geçmek için bazı kısıtlamaları aşması gerekiyor. Sodyum iyon piller nedir ve nasıl çalışır?
Lityum üzere sodyum da periyodik tablonun 1. Kümesinde bulunan bir alkali metaldir. İki metal, periyodik tablonun birinci sütununda alt alta bulunuyor. Bu da, bir kadro fiziksel ve kimyasal özellikleri paylaştıkları anlamına geliyor. Bu misal özellikler, araştırmacıları sodyum piller üzerine birinci çalışmaları 1970-1990 yılları ortasında, yani lityum piller üzerine yapılan çalışmalarla çabucak hemen tıpkı tarihlerde yapmaya yöneltmiştir. Fakat lityum piller daha büyük bir muvaffakiyet elde edince sodyum piller ikinci plana atıldı.
Sodyum piller ve lityum pillerin ortak noktası nedir?
Sodyum iyon piller ve lityum iyon pillerin altında yatan çalışma prensibi çabucak hemen birebirdir ve sodyum iyon teknolojisinde kullanılan birçok elektrot gereci, lityum iyon teknolojisinden ödünç alınmıştır.
Aslında her iki teknoloji de enerjiyi taşımak ve depolamak için iyonları kullanıyor. Sodyum iyonları, şarj kademesi sırasında elektrik akımı tarafından taşınarak, elektrolit ve ayırıcı aracılığıyla katottan (pozitif elektrot) anoda (negatif elektrot) yanlışsız hareket eder. Deşarj sırasında iyonlar katoda yanlışsız geri döner ve bir elektron akışı, yani elektrik akımı, dış devrede yüke nazaran karşıt tarafta akar.
Katot, pilin olumlu kutbu olup katot materyalinden (örn. LFP, NMC) ve akım toplayıcıdan oluşur. Pilin negatif kutbu olan anot , anot gerecinden (örneğin karbon yahut grafit) ve akım toplayıcıdan oluşur. Bir sodyum hücresi temel olarak sodyum içerebilen bir gereçten oluşan bir katot, çoklukla karbondan yapılmış bir anot ve iyonik formda sodyum atomları içeren bir sıvı elektrolitten oluşur. Elektrolit, hücrenin iç hacmini dolduran, katot ile anot ortasında iyonların hareket etmesini sağlayan bir irtibat misyonu gören organik bir sıvıdır.
Sodyum piller ve lityum pillerin farkları neler?
Tamamen kimyasal açıdan bakıldığında iki element ortasında değerli farklılıklar vardır. Bir sodyum katyonunun atom yarıçapı, lityum muadilinden 0,3 Å daha büyüktür. Bu da sodyumun atom tartısının ve kütlesinin lityumunkinden 3 kat daha büyük olduğu manasına gelir.
Tek başına bu bile tahlil gerektiren değerli teknik sıkıntıları beraberinde getiriyor: Anot ve katot ortasındaki harekette, sodyum atomunun kütlesinin lityumun kütlesinden 3 kat daha büyük olması, hücrenin yüksek oranda bozulmasına yol açan daha büyük mekanik gerilim yaratıyor.
Sonuç olarak, sodyum pillerin çevrim ömrü kısadır ve lityum piller kadar yeterli performans göstermezler. Zira lityum pillerde en yaygın olarak kullanılan anot gereci olan grafit , sodyum iyonuyla geri dönüşü olmayan bozunma tepkisine maruz kalarak kısa müddette ömrünü tüketir. Bu nedenle en güçlü süreç grafit yerine kullanılabilecek ve sodyum pillerin ömrünü uzatabilecek uygun bir anodun belirlenmesidir.
Ayrıca sodyum iyonlarının standart indirgeme potansiyeli lityuma nazaran daha düşüktür, yani elektron kazanma eğilimleri daha düşüktür. Bu, lityum pille karşılaştırıldığında sodyum pilin daha düşük bir azamî voltaj sağlayabileceği manasına gelir. Sodyum pilin nominal voltajı 2,3 – 2,5V iken lityumunki 3,2 – 3,7V‘tur. Sodyum iyon pillerde ve lityum iyon pillerde meydana gelen elektrokimyasal süreçlerin tıpkı olduğunu hesaba katsak bile sodyum pil daha az güç taşır. Bu iki özelliğin bir ortaya gelmesi nedeniyle bir sodyum pil, lityum pile nazaran %40 daha az güç depolayabiliyor.
Sodyum iyon pillerin artıları ve eksileri
Lityum tabiatta birçok kayanın içinde ve kimi tuzlu sularda bulunsa da yer kabuğunda bulunan ölçü tükenmez değildir. Üstelik lityumun çıkarılması güç gerektirir. Bu hammaddeye olan talebin yüksek olması ve tabiatta hudutlu ölçüde bulunması, fiyatının tavan yapmasına neden oldu. Bu nedenle lityuma “beyaz altın” yakıştırması yapılmaya başlandı. İleriye dönük olarak, lityum pillere olan talebin artması kaçınılmaz görünüyor. Bu durum, ham unsurların mevcudiyeti ve sadece bu kimyaya dayalı bir iktisadın sürdürülebilirliği hakkında soruları gündeme getiriyor. Pekala sodyum piller lityuma uygun bir alternatif olabilir mi? Sodyum pillerin artılarını ve eksilerini daha derinlemesine inceleyelim.
Avantajları
- Bolca bulunabilir
- Düşük maliyetli
- Emniyetli
- Düşük sıcaklık direncine sahip
- Çevre üzerinde düşük etkili
Bu teknolojinin en büyük avantajlarından biri onu oluşturan hammaddelerin doğada geniş çapta bulunabilmesi. Sodyum yer kabuğunda en çok bulunan altıncı element. Bu özellik, sodyum pilleri ekonomik açıdan rekabetçi hale getiriyor ve bu da üreticiler için kıymetli bir konu.
Sodyum piller tıpkı vakitte yüksek güvenlik standartları da sağlıyor zira bu kimyasal elementi temel alan hücreler yanıcı değil. Tıpkı vakitte patlamaya yahut kısa devre yapmaya yatkın da değiller. Üstelik bu piller aşırı yüksek ve düşük sıcaklıklara dayanabiliyor ve -20°C ila 60°C aralığında çalışabiliyor. Lityum piller için optimum çalışma sıcaklığı aralığı ise 0°C ila 50°C ortasında. Hammaddeler tabiatta kolaylıkla bulunabiliyor ve düşük maliyetlerle ve düşük güç kullanımıyla çıkarılabiliyor; bu da sodyumu etrafa tesiri düşük bir materyal haline getiriyor.
Dezavantajları
- Düşük güç yoğunluğu
- Kısa çevrim ömrü
Sodyum pillerin en büyük dezavantajı güç yoğunluğu , yani pilin hacmine nazaran depolanan güç ölçüsüdür. Sodyum pillerin yoğunluğu 140 Wh/Kg ile 160 Wh/kg ortasında değişiyor. Bu bedel 180 Wh/kg–250 Wh/kg yoğunluğa sahip lityum iyon pillere nazaran bir ölçü düşük.
Sodyum pillerin pratik kullanımını engelleyen bir öteki değerli faktör de kısa ömürleri. Süratli bozunmanın temel sebebi sodyum iyonlarının lityum iyonlarından 3 kat büyük olması. Sodyum iyonları, anot ve katot ortasındaki harekette daha büyük mekanik stres oluşturarak, birkaç döngüden sonra grafitin (anot malzemesi) tahrip olmasına neden oluyor.
Sodyum iyon pillerin kullanım alanları
Sodyum piller, ekonomik faktörün performanstan daha kıymetli olduğu uygulamalarda lityum pillere alternatif olabilir. Daha spesifik olarak, düşük maliyetler ve düşük güç yoğunluğu, sodyum iyon pillerini bilhassa sabit uygulamalar ve güç depolama sistemleri için uygun hale getiriyor. Güneş ve rüzgar üzere kesintili güç kaynaklarında, uygun fiyatı ve yüksek güvenliğiyle sodyum bataryalar güç depolama için uygun bir aday olarak öne çıkıyor.
Sodyum-iyon teknolojisi, düşük çevrim ömrü nedeniyle bu alanda şimdi çok yaygın değil ve bu uygulamaların gerektirdiği yüksek şarj ve deşarj çevrimlerini hala karşılayamıyor. Lakin sodyum iyon pillerin çevrim ömrünü arttırmak için çalışmalar devam ediyor ve bu hususta da ilerlemeler gerçekleşiyor. Sodyum iyon teknolojisinin görünümü
Tahminlere nazaran sodyum iyon pil pazarının önümüzdeki 10 yılda yılda %27 oranında büyümesi bekleniyor. Yıllık üretimin 2025’teki 10 GWh’den 2033’te yaklaşık %600 artışla yaklaşık 70 GWh‘ye çıkması bekleniyor.
Sodyum ve lityum hücrelerinin üretimi için büyük ölçüde birebir teknolojilerin kullanılması, üretim sınırlarını dönüştürme imkanı sunması ve bunu daha da uygun maliyetli hale getirmesi sayesinde, sodyum iyon teknolojisi daha da yaygınlaşabilir.
Her ne kadar sodyum iyon piller hala çözülmesi gereken birtakım sorunlar gösterse de, elektrifikasyon dünyasında bu bataryalara olan ilgi o kadar artıyor ki, pil üretimi alanındaki büyük milletlerarası oyuncular dikkatlerini bu teknolojiye çeviriyor.
Dünyanın en büyük elektrikli araçlara yönelik lityum iyon pil ve güç depolama sistemleri üreticisi olan CATL, 2021 yılında sodyum iyon kimyasını mercek altına alarak, üretimini farklılaştırmak için yatırım yapacağı yeni teknolojilerden biri olarak sundu. Çinli dev, şu anda lityum iyon pillerde elinde tuttuğu pazarın bir kısmını sodyum iyon pillerle değiştirmenin, lityum pillerin fiyatını kıymetli ölçüde düşüreceğini öngörüyor
CATL, sodyum pillerin dezavantajlarının üstesinden gelmek için yenilikçi bir fikir ortaya attı: hibrit bir pil paketi. Bu formülde sodyum ve lityum iyon piller belli oranda karıştırılarak tek bir batarya paketine entegre ediliyor ve farklı pil kimyalarını denetim etmek için akıllı bir BMS (Batarya İdare Sistemi) kullanılıyor. Böylelikle iki batarya tipinin avantajlarından faydalanılıyor. Proje şimdi deneme kademesinde lakin tüm bölümün gözü hâlihazırda Çinli şirketin üzerinde.
Bunun dışında İsveçli batarya üreticisi Nortvolt da sodyum iyon pil geliştirdiğini duyurdu. 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 kıymetli ölçüde daha düşük bir karbon ayak izine sahip olduğunu belirtti. Northvolt, birinci sodyum iyon pil örneklerini gelecek yıl müşterilerine sunacağını ve on yılın sonunda tam ölçekli üretime ulaşacağını söyledi.
BYD, Stellantis üzere araba üreticileri de sodyum bataryalara ilgi duyuyor ve son devirde birtakım yatırımlar yaptıklarını duyurdular.
Çözülmesi gereken kimi kritik meselelere karşın, sodyum iyon teknolojisi kesinlikle gelecek vadediyor ve batarya pazarında yavaş yavaş kendine yer edinmeye başlıyor. Katı hal pilleri ve yeni ortaya çıkan öbür teknolojiler üzere, bu alandaki araştırmalar da süratle devam ediyor ve büyük ölçekte üretim için yatırımlar yapılıyor.
