Edison tarzı nikel-demir pil, neredeyse anında şarj olma özelliği vaat ediyor

Edison tarzı nikel-demir pil, neredeyse anında şarj olma özelliği vaat ediyor

UCLA bilim insanları, Thomas Edison'un nikel-demir pilinin saniyeler içinde şarj olabilen ve 12.000'den fazla şarj-deşarj döngüsüne dayanabilen modern bir versiyonunu geliştirdi. Bu performans sıçraması, mühendislerin şebeke ölçekli enerji depolama hakkındaki düşüncelerini yeniden şekillendirebilir. Bu gelişme, aktif elektrot malzemelerini 5 nanometrenin altındaki kümelere küçültmeye ve bunları bir karbon aerojel iletkenine yerleştirmeye dayanıyor; Edison'un bir asırdan fazla önce patentini aldığı bir kimyayı, süper kapasitörlerle rekabet edebilecek kadar hızlı bir şeye dönüştürüyor. Bu laboratuvar ölçekli sonucun ticari donanıma dönüşüp dönüşmeyeceği açık bir soru olarak kalıyor, ancak altta yatan bilim, içten yanmalı motorun ilk elektrikli otomobillerin yerini almasından bu yana nikel-demir pillerini kenarda tutan gerçek zayıflıkları ele alıyor.

Edison'un Unutulmuş Kimyası Nano Ölçekte Yeniden Ele Alınıyor

Thomas Edison, 8 Ekim 1901'de, alkali bir elektrolit içinde nikel ve demir elektrotlardan oluşan bir depolama hücresi tanımlayan tersinir galvanik pil patentini aldı. Tasarım sağlam ve uzun ömürlüydü, ancak yavaş şarj oluyor ve mütevazı bir güç sağlıyordu; bu iki özellik, benzinli motorlar geliştikçe otomobil pazarı için uygunsuz hale gelmesine neden oldu. Edison'un pili, demiryolu sinyalizasyonunda ve endüstriyel yedek güçte ikinci bir hayat buldu, ancak daha geniş bir kullanım için gereken hıza veya enerji yoğunluğuna asla ulaşamadı.

UCLA ekibi, elektrot mimarisini nanometre ölçeğinde yeniden düşünerek tam olarak bu sınırlamalara saldırdı. Araştırmacılar, büyük metal plakalar yerine, her biri 5 nanometreden küçük olan protein kalıplı nikel ve demir nanokümeleri kullandılar ve bunları hem yapısal bir iskele hem de elektriksel bir otoyol görevi gören grafen türevli bir aerojel içine kilitlediler. Protein kalıplama adımı, parçacık boyutunu alışılmadık bir hassasiyetle kontrol ederken, termal işlem organik çerçeveyi hafif bir karbon iletkenine dönüştürür. Bu kombinasyon, iyonların şarj ve deşarj sırasında kat etmesi gereken mesafeyi kısaltır; bu da geleneksel nikel-demir pillerin bu kadar yavaş olmasının temel nedenidir. Small dergisindeki makale, pilin ne kadar hızlı enerji alıp verebileceğini ölçen C-oranı ölçümleri de dahil olmak üzere, elektrotun tüm üretim dizisini ve elektrokimyasal test protokollerini ayrıntılı olarak açıklıyor.

Saniyeler İçinde Şarj, Binlerce Döngüde Bozulma

UCLA çalışmasının öne çıkan rakamları çarpıcı: şarj süresi saniyelerle ölçülüyor ve 12.000 şarj-deşarj döngüsünden sonra bile kararlı çalışma devam ediyor. Bağlam açısından, tüketici elektroniğinde kullanılan birçok lityum iyon pil, yaklaşık 500 ila 1.000 tam döngüden sonra belirgin kapasite kaybına başlar ve şebeke depolama için pazarlanan yüksek kaliteli lityum demir fosfat piller bile genellikle 3.000 ila 6.000 döngüyü hedeflemektedir. 12.000 döngünün çok ötesinde dayanabilen ve neredeyse anında şarj kabul eden bir nikel-demir pil, tamamen farklı bir performans kategorisinde yer alacak; hız açısından süper kapasitöre daha yakın, ancak gerçek bir pilin enerji depolama özelliğine sahip olacaktır. UCLA haber odası makalesi, bu ilerlemeyi Edison'un orijinal konseptinin doğrudan bir devamı olarak, 21. yüzyıl nanomalzemeleriyle güncellenmiş bir gelişme olarak çerçevelendiriyor.

Bu sonuçlar birdenbire ortaya çıkmadı. Nature Communications'da yayınlanan ve geniş çapta alıntı yapılan önceki bir çalışma, nikel ve demir nanopartiküllerini grafen ve karbon nanotüpler de dahil olmak üzere nanokarbon hibritlerle birleştirmenin, geleneksel nikel-demir pillere kıyasla şarj-deşarj oranlarını yaklaşık 1.000 kat artırabileceğini göstermişti. Bu çalışma, yaklaşık iki dakikada şarj ve yaklaşık 30 saniyede deşarjın yanı sıra, güvenilir bir temel oluşturan belirli enerji ve güç değerleri ve döngü verilerini rapor etmişti. UCLA çalışması, daha önceki nanokarbon iskelelerini protein türevli bir aerojel yoluyla değiştirerek bu temeli geliştiriyor; bu da daha basit ve daha ölçeklenebilir bir üretim sunabilir. Nature dergisinin ayrı bir erişim sayfası, daha önceki nikel-demir çalışmalarının daha geniş pil topluluğu içinde ne kadar yaygın olarak referans gösterildiğini vurguluyor.

Gerçek Dünya Engelleri: Verimlilik ve Gaz Çıkışı

Hızlı laboratuvar sonuçları otomatik olarak pratik şebeke donanımına dönüşmez. Nikel-demir pillerle ilgili sürekli bir endişe, aşırı şarjın alkali elektrolitin suyu hidrojen ve oksijene ayrıştırmasına neden olmasıdır; mühendisler bu olaya gaz çıkışı derler. Entegre bir pil ve elektrolizör olan nikel-demir "battolyzer"ı karakterize eden Frontiers in Energy Research dergisinde yayınlanan bir makale, gaz çıkışının kasıtlı olarak hidrojen yakıtı üretmek için kullanılabileceğini, ancak aynı zamanda gidiş-dönüş elektrik verimliliğini de azalttığını bulmuştur. Saf bir depolama uygulaması için, elektroliz nedeniyle kaybedilen her watt-saat, şebekeye asla geri dönmeyen enerjidir. UCLA ekibinin saniyeler ölçeğindeki şarjı, hücre çok yüksek C oranlarında zorlandığında bu sorunu daha da yoğunlaştırabilir, çünkü daha hızlı şarj elektrot potansiyellerini su ayrıştırma rejimine daha fazla iter.

UCLA çalışmasına eşlik eden, kamuya açık bir maliyet dökümü veya üretim ölçeklenebilirliği değerlendirmesi bulunmamaktadır; bu, erken aşama akademik araştırmalar için tipiktir ancak ticari uygulanabilirliği tahmin etmeye çalışan herkes için önemli bir boşluk bırakmaktadır. Nikel ve demir, kobalt veya lityumdan çok daha ucuz ve bol miktarda bulunur, bu da kimyaya hammadde avantajı sağlar. Bununla birlikte, protein kalıplama ve aerojel işleme adımları, büyük ölçekli nikel-demir pillerin asla gerektirmediği bir karmaşıklık getirir. Bu adımların endüstriyel ölçekte gerçekleştirilip gerçekleştirilemeyeceği ve kilovat saat başına maliyetinin ne olduğu, yayınlanan verilerin henüz yanıtlamadığı bir sorudur. Malzeme kısıtlamaları üzerine bir Nature yorumu gibi pil ekonomisinin daha geniş analizleri, bol miktarda bulunan elementlerin maliyet tablosunun yalnızca bir parçası olduğunu; üretim verimliliği, verim ve sistem düzeyinde verimliliğin de aynı derecede belirleyici olabileceğini öne sürmektedir.

Hız Tek Başına Lityum-İyon Pillerin Tahtını İndiremez

Ultra hızlı pil araştırmalarına ilişkin haberlerin çoğu, belirleyici ölçüt olarak şarj süresine odaklanmaktadır, ancak şebeke operatörleri ve elektrikli araç mühendisleri daha geniş bir yelpazedeki ödünleşmeleri değerlendirmektedir. Enerji yoğunluğu, güvenlik, verimlilik ve entegrasyon maliyetleri, teknoloji seçimlerini şekillendirir. Güvenlik olaylarına ve kaynak endişelerine rağmen, lityum-iyon kimyaları, yüksek enerji yoğunluğu ve iyi anlaşılmış üretim yöntemlerinin birleşimini sunarak yerlerini almayı zorlaştırmaktadır. Saniyeler içinde şarj olan ancak kilogram başına nispeten az enerji depolayan veya girdisinin önemli bir kısmını ısı ve gaz olarak kaybeden bir pil, niş uygulamalar için cazip olabilir, ancak ana akım elektrikli araçlar veya uzun süreli şebeke depolaması için yetersiz kalabilir.

Nikel-demir hücreler ayrıca birçok lityum-iyon varyantından daha düşük voltajlarda çalışır; bu da belirli bir sistem voltajına ulaşmak için daha fazla hücrenin seri bağlanması ve potansiyel olarak daha karmaşık paket yönetimi anlamına gelir. Battolyser çalışmaları, belirli çalışma rejimlerinde nikel-demir sistemlerinin hidrojen jeneratörü olarak da kullanılabileceğini gösteriyor, ancak bu hibrit rol tasarım karmaşıklığını artırıyor ve doğrudan depolama için her zaman arzu edilen bir durum değil. Frontiers yayın platformları gibi yerlerdeki hakem değerlendirmesi ve editörlük standartları ve Frontiers araştırma forumu gibi forumlardaki topluluk tartışmaları, umut vadeden laboratuvar ölçümlerinin çalışma döngüleri, ortam koşulları ve gerçekçi bakım programları bağlamında yorumlanması gerektiğini vurguluyor. Bu bakış açısından, UCLA'nın nikel-demir atılımı, doğrudan lityum iyon yerine geçmekten ziyade, kompakt boyuttan ziyade aşırı döngü ömrü ve hızlı güç patlamalarının daha önemli olduğu uygulamalar için özel bir araç gibi görünüyor.

Edison'un Kimyası Yarının Şebekesinde Nerede Yer Alabilir?

UCLA mimarisi ölçeklendirilebilirse, en doğal yeri araçlardan ziyade sabit depolama olabilir. Şebeke operatörleri, rüzgar ve güneş enerjisinden kaynaklanan dalgalanmaları düzeltmek, frekans düzenlemesini yönetmek ve arızalar sırasında kısa süreli yedekleme sağlamak için giderek daha hızlı tepki veren varlıklara ihtiyaç duyuyor. Bu hizmetler için, ultra uzun çevrim ömrü ve saniye ölçeğinde tepki süresi, yüksek enerji yoğunluğundan daha değerli olabilir. Derin döngülere ve ara sıra aşırı şarja dayanabilen (hatta yerel hidrojen kullanımını beslemek için kontrollü gazlama bile kullanabilen) sağlam bir nikel-demir sistemi, saatler boyunca büyük miktarda enerji aktarımını yöneten lityum iyon paketleriyle rekabet etmek yerine onları tamamlayabilir.

Bu vizyonu gerçekleştirmek, zekice tasarlanmış nanoyapılardan daha fazlasını gerektirecektir. Mühendislerin, paket düzeyinde verimlilik, sağlam gaz yönetimi ve egzotik veya kırılgan işlem adımlarına bağlı olmayan üretilebilir elektrot formülleri göstermeleri gerekecektir. Ayrıca, etkileyici 12.000 döngülük performansın, yalnızca idealize edilmiş laboratuvar protokollerinde değil, gerçekçi şebeke çalışma döngülerinde de geçerli olduğunu göstermeleri gerekecektir. Enerji odaklı dergiler ve uzun vadeli saha denemeleri gibi mecralar aracılığıyla hakemli kanıt tabanı büyüdükçe, yeniden tasarlanmış bir Edison pilinin düşük karbonlu teknolojiler portföyünde nerede yer aldığına dair daha net bir tablo ortaya çıkacaktır. Şimdilik, UCLA sonuçları, mühendisler malzemeleri nano ölçekten başlayarak yeniden tasarlamaya istekli olduklarında, yüzyıllık kimyaların bile radikal bir şekilde yeniden tasarlanabileceğinin bir ilke kanıtı olarak durmaktadır.

Kaynak: MO