Sodyum iyon pillerin, enerji depolama ve elektrikli mobilite alanlarında popülaritesi son zamanlarda arttı. Ancak bu pillerin, yaygın kullanıma geçmek için bazı kısıtlamaları aşması gerekiyor. Sodyum iyon piller nedir ve nasıl çalışır?
Lityum gibi sodyum da periyodik tablonun 1. Grubunda bulunan bir alkali metaldir. İki metal, periyodik tablonun ilk sütununda alt alta bulunuyor. Bu da, bir takım fiziksel ve kimyasal özellikleri paylaştıkları anlamına geliyor. Bu benzer özellikler, araştırmacıları sodyum piller üzerine ilk çalışmaları 1970-1990 yılları arasında, yani lityum piller üzerine yapılan çalışmalarla hemen hemen aynı tarihlerde yapmaya yöneltmiştir. Ancak lityum piller daha büyük bir başarı 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 hemen hemen aynıdır ve sodyum iyon teknolojisinde kullanılan birçok elektrot malzemesi, lityum iyon teknolojisinden ödünç alınmıştır.
Aslında her iki teknoloji de enerjiyi taşımak ve depolamak için iyonları kullanıyor. Sodyum iyonları, şarj aşaması sırasında elektrik akımı tarafından taşınarak, elektrolit ve ayırıcı aracılığıyla katottan (pozitif elektrot) anoda (negatif elektrot) doğru hareket eder. Deşarj sırasında iyonlar katoda doğru geri döner ve bir elektron akışı, yani elektrik akımı, dış devrede yüke göre ters yönde akar.
Katot, pilin pozitif kutbu olup katot malzemesinden (örn. LFP, NMC) ve akım toplayıcıdan oluşur. Pilin negatif kutbu olan anot , anot malzemesinden (örneğin karbon veya grafit) ve akım toplayıcıdan oluşur. Bir sodyum hücresi temel olarak sodyum içerebilen 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 bir bağlantı görevi gören organik bir sıvıdır.
Sodyum piller ve lityum pillerin farkları neler?
Tamamen kimyasal açıdan bakıldığında iki element arasında önemli farklılıklar vardır. Bir sodyum katyonunun atom yarıçapı, lityum muadilinden 0,3 Å daha büyüktür. Bu da sodyumun atom ağırlığının ve kütlesinin lityumunkinden 3 kat daha büyük olduğu anlamına gelir.
Tek başına bu bile çözüm gerektiren önemli teknik sorunları beraberinde getiriyor: Anot ve katot arasındaki harekette, sodyum atomunun kütlesinin lityumun kütlesinden 3 kat daha büyük olması, hücrenin yüksek oranda bozulmasına yol açan daha büyük mekanik stres yaratıyor.
Sonuç olarak, sodyum pillerin çevrim ömrü kısadır ve lityum piller kadar iyi performans göstermezler. Çünkü lityum pillerde en yaygın olarak kullanılan anot malzemesi olan grafit , sodyum iyonuyla geri dönüşü olmayan bozunma reaksiyonuna maruz kalarak kısa sürede ömrünü tüketir. Bu nedenle en zorlu süreç grafit yerine kullanılabilecek ve sodyum pillerin ömrünü uzatabilecek uygun bir anodun belirlenmesidir.
Ayrıca sodyum iyonlarının standart indirgeme potansiyeli lityuma göre daha düşüktür, yani elektron kazanma eğilimleri daha düşüktür. Bu, lityum pille karşılaştırıldığında sodyum pilin daha düşük bir maksimum voltaj sağlayabileceği anlamına 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 işlemlerin aynı olduğunu hesaba katsak bile sodyum pil daha az enerji taşır. Bu iki özelliğin bir araya gelmesi nedeniyle bir sodyum pil, lityum pile göre %40 daha az enerji depolayabiliyor.
Sodyum iyon pillerin artıları ve eksileri
Lityum doğada birçok kayanın içinde ve bazı tuzlu sularda bulunsa da yer kabuğunda bulunan miktar tükenmez değildir. Üstelik lityumun çıkarılması enerji gerektirir. Bu hammaddeye olan talebin yüksek olması ve doğada sınırlı miktarda 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 maddelerin mevcudiyeti ve yalnızca bu kimyaya dayalı bir ekonominin sürdürülebilirliği hakkında soruları gündeme getiriyor. Peki 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 önemli bir husus.
Sodyum piller aynı zamanda yüksek güvenlik standartları da sağlıyor çünkü bu kimyasal elementi temel alan hücreler yanıcı değil. Aynı zamanda patlamaya veya 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 arasında. Hammaddeler doğada kolayca bulunabiliyor ve düşük maliyetlerle ve düşük enerji kullanımıyla çıkarılabiliyor; bu da sodyumu çevreye etkisi düşük bir malzeme haline getiriyor.
Dezavantajları
- Düşük enerji yoğunluğu
- Kısa çevrim ömrü
Sodyum pillerin en büyük dezavantajı enerji yoğunluğu , yani pilin hacmine göre depolanan enerji miktarıdır. Sodyum pillerin yoğunluğu 140 Wh/Kg ile 160 Wh/kg arasında değişiyor. Bu değer 180 Wh/kg–250 Wh/kg yoğunluğa sahip lityum iyon pillere göre bir miktar düşük.
Sodyum pillerin pratik kullanımını engelleyen bir diğer önemli faktör de kısa ömürleri. Hızlı bozunmanın temel sebebi sodyum iyonlarının lityum iyonlarından 3 kat büyük olması. Sodyum iyonları, anot ve katot arasındaki 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 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 getiriyor. Güneş ve rüzgar gibi kesintili enerji kaynaklarında, uygun fiyatı ve yüksek güvenliğiyle sodyum bataryalar enerji depolama için uygun bir aday olarak öne çıkıyor.
Sodyum-iyon teknolojisi, düşük çevrim ömrü nedeniyle bu alanda henüz çok yaygın değil ve bu uygulamaların gerektirdiği yüksek şarj ve deşarj çevrimlerini hala karşılayamıyor. Ancak sodyum iyon pillerin çevrim ömrünü arttırmak için çalışmalar devam ediyor ve bu konuda da ilerlemeler gerçekleşiyor. Sodyum iyon teknolojisinin görünümü
Tahminlere göre 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 aynı teknolojilerin kullanılması, üretim hatlarını dönüştürme olanağı 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 bazı problemler gösterse de, elektrifikasyon dünyasında bu bataryalara olan ilgi o kadar artıyor ki, pil üretimi alanındaki büyük uluslararası oyuncular dikkatlerini bu teknolojiye çeviriyor.
Dünyanın en büyük elektrikli araçlara yönelik lityum iyon pil ve enerji 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 bölümünü sodyum iyon pillerle değiştirmenin, lityum pillerin fiyatını önemli ölçüde düşüreceğini öngörüyor
CATL, sodyum pillerin dezavantajlarının üstesinden gelmek için yenilikçi bir fikir ortaya attı: hibrit bir pil paketi. Bu yöntemde sodyum ve lityum iyon piller belirli oranda karıştırılarak tek bir batarya paketine entegre ediliyor ve farklı pil kimyalarını kontrol etmek için akıllı bir BMS (Batarya Yönetim Sistemi) kullanılıyor. Böylece iki batarya tipinin avantajlarından faydalanılıyor. Proje henüz deneme aşamasında ama tüm sektörün 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 önemli ölçüde daha düşük bir karbon ayak izine sahip olduğunu belirtti. Northvolt, ilk sodyum iyon pil örneklerini gelecek yıl müşterilerine sunacağını ve on yılın sonunda tam ölçekli üretime ulaşacağını söyledi.
BYD, Stellantis gibi otomobil üreticileri de sodyum bataryalara ilgi duyuyor ve son dönemde bazı yatırımlar yaptıklarını duyurdular.
Çözülmesi gereken bazı kritik sorunlara rağmen, sodyum iyon teknolojisi kesinlikle gelecek vadediyor ve batarya pazarında yavaş yavaş kendine yer edinmeye başlıyor. Katı hal pilleri ve yeni ortaya çıkan diğer teknolojiler gibi, bu alandaki araştırmalar da hızla devam ediyor ve büyük ölçekte üretim için yatırımlar yapılıyor.