2019 Nobel Kimya Ödülü Lityum İyon Pillerin Geliştiricilerine
Nobel Kimya Ödülü’nün 2019 yılındaki sahipleri, Austin’deki Texas Üniversitesinden John B. Goodenough, New York Eyalet Üniversitesinden M. Stanley Whittingham ve Meijo Üniversitesinden Akira Yoshino oldu.
Nobel Kimya Ödülü’nün 2019 yılındaki sahipleri, Austin’deki Texas Üniversitesinden John B. Goodenough, New York Eyalet Üniversitesinden M. Stanley Whittingham ve Meijo Üniversitesinden Akira Yoshino oldu. Araştırmacıların lityum iyon pillerin geliştirilmesine yaptıkları önemli katkılar sebebiyle ödüle layık görüldükleri açıklandı.
20. yüzyılın ortalarına gelindiğinde petrolle çalışan araçların sayısı önemli ölçüde artmış, büyük şehirler egzoz dumanıyla dolmaya başlamıştı. Üstelik petrol kaynaklarının sınırlı olduğu biliniyordu. Otomotiv firmaları elektrikli araçlara, enerji firmaları da alternatif enerji kaynaklarına yatırım yapmayı düşünmeyi başlamıştı.
Stanley Whittingham, 1972 yılında dünyanın petrol devlerinden Exxon’da alternatif enerji kaynakları üzerine çalışmalar yapan araştırmacılardan biriydi. Yüklü iyonları içinde tutabilen çeşitli süperiletken malzemeler üzerinde çalışmalar yapıyordu.
Whittingam, tantal disülfüre potasyum iyonları eklendiğinde malzemenin iletkenliğinde değişiklikler olduğunu fark etmişti. Üstelik malzemenin enerji yoğunluğu çok yüksekti. Potasyum iyonları ile tantal disülfür arasındaki etkileşimler o kadar güçlüydü ki malzeme birkaç volt güç üretebiliyordu. Bu, o güne kadar geliştirilmiş pek çok bataryanın üretebildiğinden daha fazlaydı. Whittingam, bu durumdan elektrikli araçlar için batarya üretmekte yararlanabileceğini fark etti. Önce daha hafif bir batarya üretebilmek için, tantalı, benzer kimyasal özelliklere sahip ancak daha hafif bir element olan titanyumla değiştirmeye karar verdi. Bir bataryada elektronlar negatif elektrottan (anottan) pozitif elektroda (katoda) doğru akar. Dolayısıyla anotta kullanılan malzeme elektronlarını ne kadar kolay bırakıyorsa o kadar iyidir. Whittingam’ın anotta kullanmak için seçtiği malzeme de elektronlarını en kolay bırakan elementlerden biri olan lityum oldu. Böylece oda sıcaklığında çalışabilen, yeniden şarj edilebilir bir lityum bataryası orta çıktı.
İlk yeniden şarj edilebilir bataryalarda elektrot olarak katı malzemeler kullanılır, bu malzemeler elektrolit ile kimyasal tepkimelere girerek değişim geçirir, bu nedenle de bataryalar bozulurdu. Whittingham’ın lityum bataryasının avantajı, lityum iyonlarının katodu meydana getiren titanyum disülfürün içinde depolanmasıydı. Batarya çalışırken lityum iyonları anottaki metalik lityumdan katottaki titanyum disülfüre akıyor, batarya yeniden şarj edildiğinde lityum iyonları tekrar anoda dönüyordu.
Whittingham’ın Exxon yönetimini ticari olarak satışı yapılacak lityum bataryalar üretmek için ikna etmesi sadece on beş dakika sürdü. Ancak öncelikle çeşitli güvenlik sorunlarının aşılması gerekiyordu. Yeni batarya tekrar tekrar şarj edildiğinde alev alabiliyordu. Bataryayı daha güvenli hâle getirmek için lityum elektroda alüminyum eklendi ve elektrolit sıvısı değiştirildi. İlk lityum bataryalar küçük ölçekte üretildi ve güneş ışığından enerji alan saatlerde kullanılmak üzere İsveçli bir saat üreticisine satıldı.
Bir sonraki aşama şarj edilebilir lityum bataryaları, elektrikli araçları çalıştırabilecek kadar büyük ölçekte üretmekti. Ancak 1980’lerin başlarında petrol fiyatlarının düşmesiyle beraber gelirleri azalan Exxon projeye destek vermeyi bıraktı.
John Goodenough, Whittingham’ın icat ettiği bataryaları geliştirmeye karar verdiğinde Oxford Üniversitesinde çalışıyordu. Bilgi ve tecrübesi kendisine bir metal sülfür yerine bir metal oksit kullanılması durumunda bataryanın kapasitesinin artacağını söylüyordu. Öğrencileriyle beraber, içerisinde lityum iyonlarını tutarken yüksek voltaj üretebilecek bir metal oksit bulmak için çalışmalara başladı. Sistematik araştırmalar sonunda, Whittingham’ın bataryasında titanyum disülfür yerine kobalt oksit kullanıldığında bataryanın ürettiği voltajın iki katına çıktığını buldu. Whittingham’ın bataryası 2 volt güç üretebiliyordu, Goodenough ise 4 volt üretmeyi başardı.
Goodenough’ın başarılı olmasını sağlayan etmenlerden biri, bataryaların geçmişte yapıldığı gibi dolu olarak üretilmesinin gerekli olmadığını fark etmesiydi. Bataryalar başlangıçta boş olarak üretilebilir, sonradan şarj edilebilirdi. Goodenough kendi geliştirdiği, enerji yoğunluğu yüksek katot malzemesi ile ilgili makaleyi 1980’de yayımladı. Kablosuz cihazların geliştirilmesine giden yolu Goodenough’ın hafif, enerji yoğunluğu yüksek bataryaları açtı.
Goodenough’ın lityum bataryanın katodunda kobalt oksit kullanmaya başlaması, bataryanın ürettiği voltajı neredeyse iki katına çıkardı, onu çok daha güçlü hâle getirdi.
1980’lerin başlarında Batı’da petrol fiyatları ucuzlayınca alternatif enerji kaynaklarına ve elektrikli araçlara olan ilgi azaldı. O sıralar Japonya’daki elektronik firmalarıysa kameralar, kablosuz telefonlar ya da bilgisayarlar gibi yenilikçi elektronik cihazlar için hafif, şarj edilebilir bataryalar üretmenin peşindeydi.
Akira Yoshino, yeniden şarj edilebilir bir batarya geliştirmek için katot olarak Goodenough’ın bataryalarındaki gibi lityum kobalt oksidi kullandı. Anot olaraksa çeşitli karbon bazlı malzemeleri denedi. Lityum iyonlarının grafit katmanları arasına girebileceği biliniyordu ancak bataryadaki elektrolit grafitin yapısını bozuyordu. Yoshino, petrol endüstrisinin bir yan ürünü olan petrol kokunu denemeye karar verdi. Petrol koku, elektronlarla yüklendiğinde lityum iyonları malzemenin içine çekiliyordu. Batarya çalışırkense elektronlar ve lityum iyonları yüksek potansiyelli kobalt okside akıyordu.
Ticarete uygun ilk lityum iyon bataryaları katotta Goodenough’ın bataryalarındaki gibi kobalt oksit, anotta ise içinde lityum iyonlarını tutabilen, karbon bazlı bir malzeme olan petrol kokunu kullanan Akira Yoshino geliştirdi. Bu batarya çalışırken yıkıcı kimyasal tepkimeler meydana gelmez, sadece lityum iyonları elektrotlar arasında ileri geri hareket eder. Bu durum bataryanın uzun ömürlü olmasını sağlar.
Yoshino’nun geliştirdiği batarya hem hafifti hem de 4 volt güç üretebiliyordu. Bu lityum iyon bataryanın en önemli avantajıysa iyonların elektrotların içine girmesiydi. Diğer bataryaların çoğunda elektrotlarda kimyasal tepkimeler meydana geliyor ve elektrotlar yavaş yavaş da olsa değişim geçiriyordu. Lityum iyon bataryada ise iyonlar çevreleriyle etkileşmeden sadece elektrotlar arasında hareket ediyor, bu durum bataryanın performansında azalma olmadan yüzlerce kez yeniden şarj edilmesine imkân veriyordu.
Lityum iyon bataryanın bir diğer önemli avantajı saf lityum içermemesiydi. Yoshino, 1986 yılında patlayıcı cihazları test etmek için özel olarak tasarlanmış bir tesiste ürettiği bataryaların üzerine devasa demir parçaları atmış ancak hiçbir şey olmamıştı. Aynı deney saf lityum içeren bataryalarla yapıldığındaysa şiddetli patlamalar meydana geliyordu.
İlk lityum iyon bataryaların 1991 yılında piyasaya sürülmesinden sonra elektronik endüstrisinde bir devrim yaşandı. Cep telefonları küçüldü, bilgisayarlar taşınabilir hâle geldi, mp3 çalarlar ve tabletler geliştirildi. Takip eden yıllarda lityum iyon bataryalardan daha iyi bataryalar geliştirmek için pek çok çalışma yapıldıysa da hiçbiri başarılı olamadı.
Lityum iyon bataryalar, günümüzde dizüstü bilgisayarlardan elektrikli araçlara kadar pek çok üründe kullanılmaya ve temiz bir enerji kaynağı olarak çevrenin korunmasına yardımcı olmaya devam ediyor.
Kaynak:
