Lityum-iyon piller, yüksek enerji yoğunluğu ve uzun kullanım ömrü nedeniyle dizüstü bilgisayar gibi taşınabilir elektronikler ve elektrikli araçlar (EA’lar) için baskın seçim olmuştur. Bununla birlikte, çevresel etki ve lityum kaynaklarının bulunabilirliği konusundaki endişeler, araştırmacıları alternatif enerji depolama çözümlerini keşfetmeye yöneltmiştir. İşte bu noktada, enerji depolama dünyasında potansiyel bir oyun değiştirici ürün olan sodyum piller devreye girmektedir ve son zamanlarda sodyum bazlı pil ya da batarya (kimyasal enerjiden elektrik enerjisi üreten birden fazla sayıda pilin ya da üretecin bir araya getirilmiş hali) geliştirmeye yönelik ilgi artmıştır. Yazar Jules Verne, 1870 tarihli, adı “Denizler Altında 20.000 Fersah” olan bilim kurgu türü romanında sodyum pillerle çalışan bir denizaltı hayal etmiştir. Birkaç pil şirketinin lityum-iyon pillere daha çevreci alternatifler olarak sodyum-iyon piller üretmeye başlamasıyla bu fikir yeniden gündeme gelmiştir. Lityumla karşılaştırıldığında daha sürdürülebilir ve çevre dostu bir seçenek olarak ortaya çıkan sodyum-iyon bataryalar (SIB’ler), mevcut pil teknolojisini zorlayan sorunlara umut verici bir çözüm sunabilir.
Bu makalede çevresel etki, kaynak kullanılabilirliği ve maliyet etkinliği gibi özelliklere odaklanılarak sodyum-iyon pillerin lityum-iyon muadillerine göre farklarına, avantajlarına ve dezavantajlarına değinilmekte, hangi pilin hangi şartlarda daha iyi performans gösterdiğine açıklık getirilmektedir.
Lityum- İyon Pillerdeki Sorunlar
1980’li yıllarda geliştirilen lityum-iyon pillerin dönüştürücü etkisi o kadar önemlidir ki, 2019 Nobel Kimya Ödülü’ne layık görülmüştür ve dünyada en yaygın kullanılan pillerden biri haline gelmiştir. Li-iyon pillerin yüksek enerji yoğunluğu (kompakt bir boyutta büyük miktarda enerji depolayabilme), hafif bileşimleri, taşınabilirlikleri, yeniden şarj edilebilirlikleri onları diğer birçok alternatife kıyasla verimlilik ve yüksek çevrim ömrü nedeniyle dayanıklılık ve uzun ömürlülük açısından üstün kılmaktadır. Cep telefonlarından tabletlere, dizüstü bilgisayarlara, giyilebilir cihazlara, kameralar, elektrikli aletler ve taşınabilir oyun cihazları gibi tüketici elektroniklerine, elektrikli bisikletlere, scooterlara ve hatta elektrikli araçlara kadar tüketici elektroniğinde bu kadar popüler olmalarının nedeni de budur. Bireysel cihazların ötesinde, lityum-iyon piller şebeke depolama sistemlerinin de önemli bir bileşenidir ve iklim değişikliğiyle mücadelede hayati önem taşıyan rüzgâr, güneş gibi yenilenebilir kaynaklardan sürekli elektrik akışını sağlar.
Avantajlarına ve yaygın kullanımına rağmen lityum içeren pillerin üretim sürecinde bazı zorluklar mevcuttur. Enerji yoğunluğundaki gelişmeler son birkaç yılda yavaşlamıştır. Potansiyel güvenlik sorunları da vardır. Li-iyon bataryalar aşırı ısınmaya yatkındır, bu da termal kaçak durumunu veya aşırı durumlarda yangını tetikleyebilir. Ayrıca Li-iyon pil üretimi için gerekli olan lityum, nikel, kobalt gibi nadir bulunan ve pahalı elementlerin temininde de ciddi bir sorun yaşanmaktadır. Çin, küresel lityum-iyon pil tedarik zincirini (tüm lityum-iyon pillerin %79’u) kontrol etmektedir. Çin ayrıca pil depolama ve elektrikli otomobiller için kullanılan küresel lityum arıtma kapasitesinin % 61’ini kontrol etmektedir. Bir sonraki büyük tedarikçi Arjantin’dir, küresel yatakların % 21’ini oluşturur ve hammadde madenciliğinde muazzam bir güç sağlar. Pillere olan talebin artması nedeniyle lityum fiyatları 2021’den bu yana %700’den fazla artmıştır. Yüksek fiyat dalgalanmaları Li-iyon pillerin maliyetini de artırmaktadır.
Lityum-iyon pillerin üretiminde kullanılan nadir toprak metallerinin çıkarılması, yerel ekosistemlere zarar verebilecek yoğun sulama gerektiren ve kirletici madencilik süreçlerini içerir. Buna ek olarak, maden sahalarının yakınındaki topluluklar genellikle su kıtlığı ve doğal kaynaklarının kirlenmesinden kaynaklanan sağlık sorunlarıyla boğuşmaktadır. Özellikle Demokratik Kongo Cumhuriyeti’ndeki kobalt madenciliği, standartların altındaki çalışma koşulları, potansiyel insan hakları ihlalleri ve insan sağlığına yönelik tehditleri nedeniyle son zamanlarda manşetlere taşınmıştır. Madencilik faaliyetleri, dünya çapında artan kaynak talebini karşılamak üzere faaliyetlerini genişletmek için yerel toplulukları da giderek daha fazla yerinden etmektedir. Bu tür madencilik uygulamalarının etik sonuçları, lityum-iyon pillerin sürdürülebilirliği konusunda ciddi tartışmalara yol açmıştır. Lityum-iyon pillerin geri dönüşüm süreci de teknik açıdan zordur ve henüz uygun maliyetli değildir. Dünyadaki lityum-iyon pillerin yalnızca % 5’inin geri dönüştürüldüğü tahmin edilmektedir. Bu pillere olan talep artmaya devam ettikçe daha iyi geri dönüşüm teknolojilerine yönelik baskı kritik önem taşımaktadır. Sonuç olarak, bu pillerin büyük bir çoğunluğu çöp sahalarında son bulmakta ve tehlikeli atık endişelerine yol açmaktadır.
Lityum-İyon Pillerin Yapısı
Lityum-iyon piller eskidir ve yıllar içerisinde farklı aşamalardan geçerek modern şekle kavuşmuşlardır. İlk lityum-iyon pil 1970’lerde geliştirilmiştir ve zamanla olumlu yönde gelişmiştir. Li-iyon pilin dört ana bileşeni katot (pozitif elektrot), anot(negatif elektrot), elektrolit ve ayırıcıdır. Her bileşen için kullanılan malzemeler için çeşitli seçenekler vardır, ancak en yaygın tasarım grafitten (karbon) yapılmış bir anoda; lityum kobalt oksit veya lityum manganez oksit gibi lityum içeren bir metal oksitten yapılmış bir katoda ve lityum bazlı bir tuz ile organik bir çözücüyü birleştiren bir elektrolite sahiptir. Pil çalışırken (deşarj olurken), lityum iyonları anottan çıkar ve elektrolit yoluyla katoda doğru hareket ederek emilirler. Lityum iyonları katoda girdiğinde, esasen elektronları bağlantı telinden katoda “çeken” bir kimyasal reaksiyon meydana gelir. Şarj sırasında elektronlar katottan dışarı akar ve lityum iyonlarını serbest bırakarak anoda geri akmalarını sağlar. Elektrolit, katot ve anot arasında yalnızca lityum iyonlarının hareketine izin vererek güvenliği sağlar ve elektriğin akmasına izin verir. Lityum iyonlarının hareketini kolaylaştırmak için iyonik iletkenliği yüksek malzemeler kullanılır ve lityum iyonlarının hareket hızı elektrolit türüne bağlıdır.
Sodyum: Lityumun Alternatifi
Sodyum iyon (Na-iyon) pillerin tasarımına yönelik mevcut taktik, lityum iyon pillerinkine benzer. Sodyum-iyon pillerde (NIB veya SIB), yük taşıyıcıları olarak sodyum iyonları kullanılır. Nispeten az bulunan ve dünya çapında eşit olmayan bir şekilde dağılmış olan lityumun aksine, sodyum, hem karasal çökellerde (yataklarda) hem de deniz suyunda geniş rezervlere sahip olan, dünya üzerinde en bol bulunan (en çok bulunan 6. elementtir) elementlerden biridir. Bu bolluk sodyumu ve sodyum bazlı pilleri büyük ölçekli enerji depolama çözümleri için daha sürdürülebilir bir seçim haline getirmektedir. Sodyum ve lityumun kimyasal davranışları çok benzerdir. Na-iyon pillerin birincil bileşeni olan sodyum, periyodik cetvelde 3. periyotta, 1A grubunda (lityumun bulunduğu yer 2. periyot, 1A grubudur) yer alan bir elementtir, sembolü Na’dır. Hem lityum (sembolü Li’dir) hem de sodyum alkali metaldir, ikisi de tepkimeye girmeye heveslidir. Bunun nedeni, atomlarının dış kabuklarında kolayca vazgeçebilecekleri tek bir elektrona sahip olmalarıdır. Bu metaller suyla tepkimeye girdiklerinde, bu dış elektronu kaybederler, bu da enerji açığa çıkmasına yol açar, lityum hidroksit veya sodyum klorür gibi bileşikler oluşturur. Bu kimyasal akrabalık, sodyum- iyon pillerin tasarım ve üretim teknikleri açısından lityum- iyon pillerin başarısından yararlanmasına olanak tanır.
Not: Periyodik cetvel ya da tablo yeryüzündeki elementleri sınıflandırır. Sıralama atom numarasına göre yapılır. Periyodik cetveldeki dikey ya da düşey sütunlar grup (8 adet A grubu,10 adet B grubu vardır), yatay sıralar ise periyot (7 periyot vardır) olarak bilinir.
Boyut Neden Önemlidir?
Piller (bataryalar) söz konusu olduğunda boyut ve ağırlık çoğu zaman ne kadar güç taşıdıkları kadar önemlidir. Üçüncü en hafif element olan lityum, akıllı telefonlar ve elektrikli araçlar (EA’lar) için ideal olan kompakt, enerji açısından yoğun pillerin oluşturulmasında tercih edilmiştir. Lityum iyon pillerin hafif yapısı, telefonların daha şık olmasına ve EA’ların tek bir şarjla daha fazla yol kat etmesine olanak sağladığından, yaygın olarak benimsenmelerinin ardındaki itici güç olmuştur. Ancak her durum mümkün olan en küçük ve en hafif pili gerektirmez. Örneğin, yenilenebilir kaynaklardan gelen gücü yakalayan ve depolayan şebeke ölçekli enerji depolama sistemlerinde veya kamyonlar ve gemiler gibi ağır taşıma araçlarında pilin boyutu o kadar kritik değildir. İşte bu noktada sodyum piller devreye girer. Sodyum periyodik tabloda lityumun hemen altında yer alır ve bazı özellikleri paylaşır ancak lityuma kıyasla daha fazla proton, nötron ve fazladan bir elektron kabuğuna sahip olduğu için daha ağır ve daha büyüktür. Bu nedenle, sodyumun bolluğuna ve daha düşük maliyetine rağmen, lityum başlangıçta pil teknolojisinde liderliği ele geçirmiştir, ancak tasarım ve malzemelerdeki gelişmelerle birlikte sodyum piller, özellikle pilin ağırlığının ve boyutunun daha az kritik olduğu uygulamalarda rekabet etmek için gereken her şeye sahip olabileceğini göstermeye başlamaktadır. Dahası, sodyum piller enerji yoğunluğu açısından, ilk lityum-iyon pillerin bazılarının on yıl önce sahip olduğu seviyelere ulaşmaya başlamıştır. Ülkeler arası bir EA yolculuğuna güç sağlamak için henüz uygun olmasalar da, günlük işe gidip gelme veya şehir içi sürüş için yeterli olabilirler. Geliştiriciler için belki de en cazip olanı sodyumun maliyet avantajıdır. Sonuç olarak sodyum piller her uygulamada lityum- iyon pillerin yerini alamayacak olsa da, boyut ve ağırlığın daha az kısıtlayıcı olduğu durumlarda cazip bir alternatif sunar.
Sodyum-İyon Piller Nasıl Çalışır?
Sodyum piller, alkali metallerin reaktif doğasından yararlanarak lityum-iyon muadilleriyle aynı temel prensipte çalışır. Sodyum-iyon piller lityum- iyon pillere benzer yapıda olup bir katot, anot ve elektrolitten oluşur, yani yük taşıyıcı olarak kullanılanlar sodyum iyonlarıdır. Katot tipik olarak sodyum bazlı bir malzeme (NaFePO4, Na2MnO3 ve Prusya mavisi analogları gibi) içerirken anot, sert karbon veya titanyum oksit gibi malzemelerden yapılabilir. Şarj sırasında sodyum iyonları katottan çıkar ve anotta depolanır, deşarj ise ters yönde gerçekleşir. Sodyum piller akımı toplamak için alüminyum plakalara (lityum- iyon piller genellikle bakırdan yapılır) sahiptir. Bir bataryada elektron sodyum atomundan serbest bırakıldığında hemen başka bir atomla yeniden birleşmez. Bunun yerine, bir devre boyunca hareket eder, bu elektron akışı veya elektrik akımı olarak deneyimlenen şeydir. Bu arada, bıraktığı atom (artık elektronunu kaybetmiş ve pozitif yüklüdür) elektrolit adı verilen pilin içindeki özel bir sıvı veya jel boyunca farklı bir yol izler. Elektron ve iyon akışının bu şekilde ayrılması, pilin enerjiyi nasıl depoladığı ve serbest bıraktığı açısından çok önemlidir. Süreç tersine çevrilir ve harici bir akım uygulanırsa, elektronlar başlangıç noktalarına geri itilebilir ve pil yeniden şarj edilebilir.
Not: Prusya mavisi (Berlin mavisi ya da Paris mavisi) rengi koyu mavi olan, içeriğinde demir bulunan toz halinde, sentetik bir pigmenttir. Li-iyon, potasyum-iyon ya da sodyum-iyon pillerde geri dönüşümlü(tersinir) iyon eklenmesi ya da iyon çıkarılması (iyonların hareketi) için bir elektrot malzemesi olarak kullanılır.
Sodyum-İyon Pillerin Özellikleri
Sodyum- iyon piller bileşimleri, performansları ve uygulamaları açısından birçok önemli farklılığa sahiptir. Sodyum bazlı pillerin temel farkları ve özellikleri aşağıdadır.
Yük Taşıyıcıları
Sodyum-iyon ve lityum-iyon piller arasındaki temel fark, yük taşıyıcı olarak kullanılan iyonlarda yatmaktadır. Lityum- iyon piller 90 pikometrelik küçük boyutlu lityum iyonlarını (Li+) kullanırken sodyum-iyon piller 116 pikometre boyutunda olan sodyum iyonlarını (Na+) kullanır.
Şarj Süresi
Elektrikli araçların benimsenmesi için hızlı şarj giderek daha önemli hale gelmektedir. Lityum-iyon pillerin şarj süreleri daha yavaş iken sodyum-iyon piller genellikle daha hızlı şarj edilebilir ve %100 deşarja izin verebilir. Bunun nedeni sodyum iyonlarının batarya malzemeleri içinde lityum iyonlarına göre daha hızlı hareket edebilmesidir, bu da sodyumun daha ağır olduğu düşünüldüğünde mantıksız görünebilir. Bu, bir sodyum iyonunun, yüksek konsantrasyonlu yüküyle lityum iyonuna göre atomlar arasında daha kolay kaymasını sağlayan dağınık bir elektron bulutuna sahip olmasıyla açıklanır. Bir sodyum iyonunun daha hızlı hareketi, sodyum-iyon pillerde daha yüksek güç ve daha hızlı şarj sağlayabilir. Araştırmacıların güvenlik veya çevrim ömründen ödün vermeden hızlı bir şekilde şarj edilebilen sodyum-iyon pilleri geliştirmesi onları EA pazarında daha da rekabetçi hale getirecektir.
Çevrim Ömrü
Bir pilin çevrim ömrü, kapasitesi belirli bir eşiğin altına düşmeden önce geçirebileceği şarj/deşarj döngüsü sayısını ifade eder. Mevcut sodyum- iyon pillerin çevrim ömrü 5.000 kattır; bu, ticari lityum demir fosfat pillerin 8.000-10.000 kat olan çevrim ömründen önemli ölçüde daha düşüktür. Çevrim ömrünün fazla olması daha iyi dayanıklılık, önemli bir bozulma yaşamadan önce çok sayıda şarj-deşarj döngüsünden geçme, uzun ömürlü olma anlamına gelir. Sodyum- iyon pillerde, şarj ve deşarj döngüleri sırasında yapısal bozulma olmadan sodyum iyonlarını verimli bir şekilde bir araya getirebilen ve ayrıştırabilen elektrot malzemeleri bulmak zordur. Daha uzun ömürlü sodyum -iyon piller elde etmek için elektrot malzemeleri ve elektrolitlerde iyileştirmeler üzerinde çalışılmaktadır.
Enerji Yoğunluğu
Enerji yoğunluğunun elektrikli bir aracın sürüş menzili üzerinde doğrudan etkisi vardır. Sodyum-iyon piller lityum-iyon pillere (200-300 Wh/kg) kıyasla daha düşük bir enerji yoğunluğuna (150-160 Wh/kg) sahiptir. Bu, sodyum-iyon pille çalışan araçların, benzer boyuttaki bir lityum iyon-pil ile çalışanlarda olduğu gibi uzağa gidemeyeceği anlamına gelir. Araştırmacılar, sodyum-iyon pillerin enerji yoğunluğunu artırmak için yeni malzemeler ve elektrot tasarımları araştırmaktadır ve bu alanda şimdiden önemli ilerlemeler kaydedilmiştir.
Voltaj
Bir atom veya molekülün kimyasal bir reaksiyonda elektron kazanma veya kaybetme eğilimini karakterize eden redoks potansiyelidir. Sodyumun redoks potansiyeli 2,71 V olup, lityumunkinden yaklaşık %10 daha düşüktür; bu, sodyum-iyon pillerin, katoda gelen her iyon için lityum-iyon pillere göre daha az enerji sağladığı anlamına gelmektedir. Lityum-iyon bataryalar tipik olarak daha yüksek voltajlara (genellikle hücre başına 3,6-3,7 volt civarında) sahiptir, birim yük başına daha fazla enerji depolayabilir.
Çevresel Etki
Sodyum-iyon pillerin daha düşük enerji yoğunluğuna sahip olması sodyum-iyon teknolojisinin genel çevresel etkisini etkiler. Sodyum-iyon piller şu anda üretim sırasında lityum-iyon pillerden daha yüksek sera gazı emisyonlarına sahiptir. Bunun nedeni, aynı miktarda enerji üretmek için daha fazla miktarda malzemenin pillere işlenmesinin gerekmesidir ancak bu durum teknolojideki ilerlemelerle düzelebilir. Diğer yandan, sodyumun çıkarılması sırasındaki çevresel etki farklıdır. Sodyumun ekstraksiyonu (çıkarılması) öncelikle deniz suyunun buharlaştırılmasına veya yer altı tuzlu su yataklarının işlenmesine dayanır. Bu yöntemler genellikle çevreye daha az zarar verir ve lityum ekstraksiyonuyla karşılaştırıldığında daha düşük karbon ayak izine sahiptir. Bu nedenle sodyum iyon piller, kaynak çıkarmayla ilişkili çevresel etkiyi azaltarak daha sürdürülebilir bir seçim sunar.
Maliyet
Sodyum lityumdan daha boldur, ekstraksiyon (çıkarma) işlemleri daha basittir, bunlar sodyum-iyon pillerin üretimini lityum- iyon pillerden daha ucuz hale getirebilir. Bununla birlikte, pil üretiminde kullanılan malzemelerin maliyeti, pillerin genel maliyetinin belirlenmesinde önemli bir rol oynar. Sodyum-iyon pillerdeki katot malzemeleri genellikle sodyum demir fosfat (NaFePO4) veya sodyum manganez oksit (Na2MnO3) gibi sodyum bazlı bileşiklerden oluşur. Bu malzemeler genellikle lityum kobalt oksit (LiCoO2) veya lityum demir fosfat (LiFePO4) gibi lityum muadillerinden daha ucuzdur. Katot malzemelerindeki maliyet tasarrufu, sodyum -iyon pillerin genel olarak uygun fiyatlı olmasına katkıda bulunur. Sodyum -iyon piller, anot olarak genellikle karbon bazlı malzemeler kullanır; bu malzemeler, lityum-iyon pillerde genel olarak bulunan grafit anotlarla karşılaştırıldığında daha uygun maliyetlidir. Karbon malzemelerin bulunabilirliği ve düşük maliyeti, sodyum iyon pillerin ekonomik uygulanabilirliğini daha da artırır.
Güvenlik
Pil teknolojisi söz konusu olduğunda güvenlik kritik bir konudur. Sodyum-iyon piller aşırı sıcaklıklarda daha iyi performans gösterir, lityum-iyon pillere kıyasla daha düşük termal kaçak ve yangın riskine sahiptir, bu nedenle daha güvenlidir. Bunun nedeni, sodyum iyonlarının lityum iyonlarından daha büyük olması ve dendrit (ağaç benzeri dallanmış oluşumlar) oluşumunun ve dahili kısa devrelere neden olma olasılığının azalmasıdır. Herhangi bir enerji depolama teknolojisi için güvenlik önlemleri ve pil yönetim sistemleri gerekli olsa da, sodyum-iyon piller doğası gereği daha kararlı bir kimya sunarak ciddi arıza olasılığını azaltır. Buna karşılık lityum-iyon piller, 15-35 santigrat derece arasında optimum performansa sahiptir ancak aşırı sıcaklıklarda sınırlıdır. Bu piller dahili kısa devrelere ve termal kaçak olaylarına yol açabilecek dendrit oluşumu (ağaç benzeri dallanmış oluşum) nedeniyle yangın riski oluşturur. Bu olaylar, akıllı telefonlar ve elektrikli araçların dahil olduğu birçok yüksek profilli vakada görüldüğü gibi, yangın ve patlamalarla sonuçlanabilir.
Geri Dönüşüm Potansiyeli
Sürdürülebilirliğin bir diğer önemli yönü de pil bileşenlerinin geri dönüştürülmesi ve yeniden kullanılması yeteneğidir. Çeşitli katot malzemeleri, elektrolitler ve anotları içeren lityum-iyon pil kimyasının karmaşıklığı, geri dönüşüm sürecini daha karmaşık hale getirir. Üstelik nikel, kobalt ve lityum gibi değerli metalleri ayırma ve geri kazanma ihtiyacı, geri dönüşümün karmaşıklığını ve maliyetini artırır, bu da elektronik atıkların birikmesine ve kaynakların tükenmesine yol açar. Sodyum- iyon piller ise, sodyum bazlı katotlar ve karbon bazlı anotlar gibi malzemelerle daha basit bir kimyaya sahiptir. Bu nedenle geri dönüşümleri daha kolay ve daha uygun maliyetlidir. Ayrıca, sodyum-iyon pillerin geri dönüşümü, minimum değişiklikle mevcut geri dönüşüm tesislerine entegre edilerek çevre ve kaynaklar üzerindeki yük azaltılabilir. Bu geri dönüşüm kolaylığı, sodyum- iyon pillerin genel sürdürülebilirliğine katkıda bulunur.
Mevcut Altyapı ile Uyumluluk
Sodyum-iyon piller, lityum-iyon pillerle benzer şarj altyapısını kullanabilir, bu da yeni şarj istasyonlarına veya şebeke yükseltmelerine önemli yatırımlar yapmadan bu teknolojiye geçişi kolaylaştırır. Bu uyumluluk, elektrikli araçlar ve diğer uygulamalar için sodyum iyon pillerin benimsenmesini kolaylaştırır. Üreticiler, lityum iyon pil üretimi için kullanılan mevcut tesisleri küçük ayarlamalarla sodyum iyon piller üretmek üzere yeniden kullanabilirler. Bu uyarlanabilirlik, tamamen yeni üretim tesisleri kurma ihtiyacını azaltarak hem zamandan hem de kaynaklardan tasarruf sağlar.
Na-İyon Pillerin Dezavantajları
Sürdürülebilir ve çevre dostu enerji depolama çözümleri arayışında, sodyum-iyon piller, lityum-iyon pillere cazip bir alternatif olarak ortaya çıkmaktadır. Sodyumun bolluğu, kolay bulunabilirliği, kaynakların kullanılabilirliği sodyum -iyon pillerin bir avantajıdır, bu onları lityum-iyon pillerden potansiyel olarak daha ucuz ve daha sürdürülebilir kılar. Ek olarak, sodyum-iyon piller daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilir ve bu da belirli ortamlarda faydalı olabilir. Sodyum-iyon piller, aşırı şarj, kısa devre ve pilin fiziksel hasar görmesi durumunda daha güvenli olduğundan güvenlik önlemleri ve maliyet etkinliği açısından da iyidir. Sahip olduğu bazı avantajlar onları taşınabilir elektroniklerden elektrikli araçlara ve şebeke ölçeğinde enerji depolamaya kadar geniş bir uygulama yelpazesi için umut verici bir seçim haline getirmektedir.
Avantajlarının yanı sıra sodyum-iyon bataryaların bazı dezavantajları da vardır. Bataryalarda kullanılan malzemeler için iyi kurulmuş bir tedarik zinciri yoktur. Sodyum-iyon yeni bir teknoloji olduğundan halen geliştirilme aşamasındadır. Bu segmentte çok az şirket faaliyet göstererek daha yüksek pil maliyetine neden olmaktadır. Sodyum-iyon bazlı piller, esneklik sınırlamaları olduğu için prizmatik, silindirik vb. çeşitli şekillere dönüştürülemezler. Güç yoğunlukları ve depolama kapasitesi de azdır. Sodyum-iyon pil üretiminin yaygın olarak benimsenebilmesi için sorunları gidermek, performanslarını daha da iyileştirmek için araştırma ve geliştirme çalışmaları devam ettirilmektedir.
Sodyum-İyon Pil Gelişen Bir Teknolojidir
Lityum-iyon alternatifleri arasında katı hal pilleri (sıvı elektrolitin katı bir elektrolitle değiştirildiği) ve magnezyum-iyon pilleri (magnezyum iyonlarının lityum iyonlarının yerini aldığı) bulunmaktadır. Bu seçeneklerin çoğu halen geliştirilme aşamasındadır ve bazılarının da kaynakların mevcudiyetiyle ilgili sorunları vardır. Buna karşılık sodyum, deniz suyunda bol miktarda bulunur ancak dünyanın birçok bölgesinde bulunabilen sodyum külü yatakları daha kullanışlı bir kaynaktır. Sodyum, lityum ile çok fazla kimyasal ortaklığa sahip olduğundan, sodyum-iyon piller hızla gelişmekte ve ticarileştirilmektedir.
Sodyum-iyon piller yeni değildir. Lityum ve sodyum sistemleri 1980’lere kadar eşit derecede incelenmiştir. Araştırmacılar lityum-iyon pillerde çığır açmaya başladıklarında iki teknolojiye olan ilgi farklılaşmıştır. 1990’lara gelindiğinde, sodyum- iyon pillerle ilgili araştırmalar büyük ölçüde durdurulmuştur. Ancak Tarascon da dahil olmak üzere bazı araştırmacılar, lityum-iyon sistemleri geliştirirken bile bu teknolojiyle uğraşmaya devam etmiştir. Tarascon, 2012 yılında Fransa’da sodyum-iyon araştırmalarının yeniden başlatılmasına yardımcı olmuştur. Gerekçesi, sodyumun daha sürdürülebilir görünmesidir. Tarascon’un bilimsel danışmanı olduğu bir şirket olan Tiamat, geçen yıl (2023) ticari bir üründe (bir araçta değil, kablosuz elektrikli matkapta) kullanılan ilk sodyum-iyon pili üretmiştir. Şirketin web sitesine göre pil, beş dakikadan daha kısa sürede şarj olabilmekte ve uzun süre (5000 döngüden fazla) dayanabilmektedir. Birkaç büyük batarya üreticisi de elektrikli araç pazarını hedefleyen sodyum-iyon projelerini duyurmuştur.
Çinli otomobil ve ticari araç üreticisi JAC Motors tarafından tanıtılan dünyanın ilk sodyum- iyon bataryalı aracı beş koltuklu binek araçtır. Şarj başına 250 kilometre menzil sağlayan 25 kilovat-saat (kWh) Na-iyon batarya ile donatılmıştır. Pekin merkezli kuruluş, Na-iyon pil teknolojisini scooter, otobüs ve mobilet gibi diğer elektrikli araç (EA) platformlarına da uygulamayı planlamaktadır. Çin’in en büyük EA batarya üreticisi CATL, JAC Motors’tan kısa bir süre sonra otomobil üreticisi Chery Auto tarafından üretilen bir otomobil için 160 Wh/kg enerji yoğunluğuna sahip birinci nesil sodyum-iyon batarya geliştirdiğini duyurmuştur. Bu değer demir fosfat (LFP) bataryalarınkinden daha düşük olmasına rağmen azaltılmış üretim maliyetleri, düşük sıcaklıklarda artırılmış performans ve gelişmiş güvenlik gibi çeşitli avantajlar sunmaktadır.
Sodyum bazlı piller şu anda şebeke depolama (yenilenebilir enerji depolama sistemleri ve yedek güç kaynakları gibi), endüstriyel uygulamalarda (endüstriyel ekipman ve makineler için enerjinin depolanması) ve kesintisiz güç kaynakları (KGK) ve acil durum güç sistemleri gibi yedek güç sistemleri için en iyi seçenektir. Lityum pillere potansiyel bir alternatif olarak sodyum iyon pil teknolojisine olan ilgi giderek artmaktadır. Araştırmacılar pillerin performansını ve stabilitesini artırmanın yanı sıra maliyetlerini düşürmek için çalışırken, şirketler de pillerde kullanılan malzemeler için bir tedarik zinciri kurmaya çalışmaktadır.
Sodyum-İyon Pil Teknolojisinin Geleceği
Endüstriyel mobilitenin (hareketliliğin, taşınırlığın) geleceği, ABD merkezli Natron Energy tarafından üretilen, tescilli Prusya mavisi elektrotlar kullanılan sodyum-iyon pillerdedir. Bu elektrotlar rakip ticari bataryalarla kıyaslandığında iç direnç, sodyum iyonu depolama, aktarım hızı ve aktarım sıklığı açısından onlardan daha iyi performans göstermektedir. Bu sodyum-iyon piller döngü hızında on kat artışa, 50.000’den fazla döngü ömrüne sahiptirler ve şarj veya deşarj edildiklerinde herhangi bir zorlanma olmaz.
Sürdürülebilir pillerin geliştirilmesi ve üretiminde uzmanlaşmış bir İsveç şirketi olan Nothvolt, kısa bir süre önce pil portföyüne bir sodyum-iyon pil eklediğini duyurmuştur. Kilogram başına 160 watt-saati aşan bir enerji yoğunluğuna sahip olduğu doğrulanan pil, geleneksel nikel, manganez ve kobalt (NMK) veya demir fosfat (LFP) kimyalarına kıyasla daha güvenli, daha ekonomik ve daha çevre dostudur. Ayrıca, küresel pazarlarda kolayca bulunabilen demir ve sodyum gibi mineraller kullanılarak üretilmektedir. Northvolt, gelecekteki enerji depolama ürünlerinin temeli olarak sodyum-iyon teknolojisini kullanmayı planlamaktadır. Teknolojinin uygun fiyatı ve yüksek sıcaklıklara dayanma kabiliyeti, onu özellikle Hindistan, Orta Doğu ve Afrika gibi gelişmekte olan bölgelerde enerji depolama çözümleri için cazip kılmaktadır. Buna ek olarak, teknoloji yerel bölgelerden elde edilen malzemeler kullanılarak üretilebilmekte ve geleneksel batarya tedarik zincirlerinden tamamen ayrı, yeni yerel batarya üretim kapasiteleri oluşturmak için belirgin bir fırsat sunmaktadır.
Çin, elektrikli araçların (EA’lar) geleceğinde önemli bir oyuncu olma potansiyelinin farkına vararak sodyum pillerin geliştirilmesine öncülük etmektedir. 36’dan fazla Çinli şirket aktif olarak sodyum pilleri araştırmakta veya üretmektedir. Çin’deki düzinelerce sodyum-iyon pil fabrikası ve Malezya’daki uluslararası bir tesis de dahil olmak üzere daha fazlası için yapılan planlarla sektörün hızlı büyüyeceği açıkça görülmektedir. Bu ilerleme, enerji kaynaklarının çeşitlendirilmesine ve EA teknolojisinin geliştirilmesine yönelik önemli bir değişimi yansıtmaktadır. Sodyum bazlı pillerin geleceği parlaktır ancak belirsizlikleri de vardır. Gelişmekte olan her teknolojide olduğu gibi, dikkatli olmakta fayda vardır; sonuçta batarya inovasyonları bir gecede gerçekleşmemektedir. 2030 yılına kadar sodyum pil tesislerinin önemli bir üretim kapasitesine sahip olabileceği tahmin edilmektedir, ancak bu kapasitenin yalnızca yarısından biraz fazlasının pil üretimi için kullanılacağı ve aynı yıl için öngörülen lityum pil üretiminin yalnızca %2’sini temsil edeceği öngörülmektedir. İhtiyatlı tempoya rağmen, sodyum piller için beklentiler, özellikle lityum demir fosfat piller ve diğer gelişmekte olan teknolojilere karşı kendilerini koruyabilecekleri şebeke depolaması için caziptir. Ağır taşımacılıkta sodyum piller, umut verici olmakla birlikte halen geliştirilmekte olan bir altyapıya bağlı olan hidrojen yakıt hücrelerine bir alternatif oluşturmaktadır. Sodyum pillerin özellikle elektrikli araçlar gibi ağırlığa duyarlı uygulamalardaki başarısı, malzeme maliyetlerine ve bilimsel gelişmelere bağlıdır. Lityum, kobalt ve nikel gibi nadir toprak metallerinin fiyatları yüksek kalırsa, bu durum sodyum pil teknolojisini geliştirme çabalarını teşvik edebilir, potansiyel olarak enerji yoğunluklarını ve genel performanslarını artırabilir. Enerji depolamayı artırmayı ve EA’ların sürüş menzilini genişletmeyi amaçlayan sodyum piller için yeni katot malzemeleri geliştirmeye yönelik araştırmalar halihazırda devam etmektedir. Bu piller pazara girmeye başladığında, evrimleri ve yerleşik lityum pillere karşı rekabet güçleri hem ekonomik eğilimler hem de malzeme bilimindeki atılımlar tarafından şekillendirilecektir.
Sodyum-İyon Piller Ne Zaman Piyasada Olacak?
Sodyum-iyon piller, lityum-iyon pillere göre daha sürdürülebilir ve uygun maliyetli bir alternatif olarak umut vaat etse de, hala aşılması gereken çeşitli zorluklarla karşı karşıyadırlar. Bu nedenle yaygın bir şekilde benimsenmemiştir. Sodyum iyon pillerin ya da bataryaların enerji yoğunluğunu, çevrim ömrünü ve genel performansını iyileştirmeye yönelik araştırma ve geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Bazı prototipler ve pilot projeler mevcuttur, ancak tüketici uygulamaları için sodyum-iyon pillerin ve bu pillerle çalışan elektrikli araçların kullanımının yaygınlaşması biraz zaman alabilir. Bunun önündeki engellerden biri de ekonomidir. Lityum fiyatı nispeten düşük bir seviyeye geri dönmüştür, bu da sodyum iyon pillerin rekabet gücünü azaltmaktadır. Dahası, sodyum-iyon pillerin daha düşük enerji yoğunluğu, ilk hedef pazarın muhtemelen daha küçük otomobiller ve iki tekerlekli araçlar olacağı anlamına gelmektedir. Sodyum iyon piller zamanla gelişecektir fakat geleceğin baskın enerji depolama teknolojisi haline gelip gelmeyeceği henüz bilinmemektedir, bunu alandaki ilerlemeler gösterecektir. Sodyum- iyon pillerin uygun maliyetli ve yüksek performanslı olma potansiyeline sahip olması nedeniyle gelecekte daha iyi olması beklenmektedir.
Sonuç
Sürekli değişen enerji depolama sektöründe araştırmacılar ve mühendisler, daha sürdürülebilir ve verimli pil teknolojilerine olan artan ihtiyacı karşılamaya yönelik yenilikçi çözümler aramaktadır. Sodyum-iyon pillerin gelişimi, lityum-iyon pillerin gerisinde kalmıştır, ancak lityum ve bununla ilgili malzemelerin madenciliği ve nakliyesi konusundaki çevresel kaygıların bir sonucu olarak, son on yılda sodyuma olan ilgi artmıştır. Sodyum -iyon piller, şu anda en yaygın kullanılan şarj edilebilir pil türü olan lityum- iyon pillerin bir rakibidir. Her iki pil türü de elektrik enerjisini depolamak ve aktarmak için sıvı elektrolit kullanır, ancak kullandıkları iyonların türünde farklılık gösterir. Sodyum-iyon piller zorlu koşullarda maliyet, güvenlik ve performansın kompakt boyut ve yüksek enerji yoğunluğundan daha önemli olduğu şebeke depolama, endüstriyel uygulamalar ve yedek güç sistemleri için daha uygundur. Sodyum iyon pillerin birçok avantajı nedeniyle, enerji endüstrisindeki büyük oyuncular bu teknolojinin edinilmesi ve geliştirilmesi için yatırım yapmaktadır. Örneğin, Birleşik Krallık’ta bir pil teknolojisi şirketi ve Na-iyon batarya alanında yenilikçi olan Faradion, yakın zamanda Reliance Industries’in bir yan kuruluşu olan Reliance New Energy Solar tarafından 135 milyon dolara satın alınmıştır.
Sodyum iyon piller gelecek vaat etse de, çok sayıda avantajları olsa da, bazı sorunların mevcut olduğunu ve teknolojinin hâlâ gelişiminin erken aşamalarında olduğunu kabul etmek önemlidir. Teknoloji ilerledikçe, sodyum iyon piller özellikle büyük ölçekli enerji depolama için daha uygulanabilir ve sürdürülebilir bir alternatif haline gelebilir. Araştırmacılar, onları daha da rekabetçi hale getirmek için sodyum-iyon pillerin performansını ve enerji yoğunluğunu artırmak amacıyla aktif olarak çalışmaktadır.
Kaynakça:
https://greenly.earth/en-us/blog/ecology-news/sodium-batteries-a-better-alternative-to-lithium
https://nadionenergy.com/sodium-ion-batteries-a-sustainable-alternative-to-lithium-ion-batteries/
https://physics.aps.org/articles/v17/73
https://www.powerelectronicsnews.com/sodium-ion-batteries-a-promising-alternative-to-lithium-ion-in-the-energy-landscape/
https://www.tayfuncatechnology.com/sodyum-iyon-na-ion-batarya-nedir/
https://enerjidepolama.org/sodyum-iyon-na-vs-lityum-iyon-li-batarya/
https://www.lithiumbatterytech.com/tr/why-havent-sodium-ion-batteries-which-dont-catch-fire-or-explode-replaced-lithium-batteries/
Yazar: Müşerref ÖZDAŞ