Bugün öğrendim ki: 1991 ile 2018 yılları arasında lityum iyon piller 30 kat daha ucuz hale geldi
Üç on yıl önce ticari kullanıma sunulmasından bu yana, taşınabilir ve yüksek yoğunluklu (ve Nobel Ödüllü) enerji depolama teknolojisi olan lityum-iyon pilleri, tüketici elektroniği, elektrikli araçlar ve büyük ölçekli enerji depolama alanlarını kökten değiştirdi. Ve yine de teknolojinin muazzam ilerlemeleri için –örneğin 1991 ile 2018 arasında şaşırtıcı bir otuz kat fiyat düşüşü– en büyük gelişmeler çoğunlukla lityum metal oksit katot tarafında gerçekleşti. Tersine, lityum-iyon pillerinin grafit anotları büyük ölçüde aynı kaldı.
Silisyum, anotlar için uzun zamandır umut vadeden bir malzeme olarak kabul edildi, çünkü ağırlıkça grafitten 10 kat daha fazla lityum iyonu tutabilir. Aslında, silisyumun lityum pil anotunda ilk belgelenmiş kullanımı, grafitin kullanılmasından yedi yıl öncesine dayanır. Ancak bu elementle yapılan deneyler, anotun lityum iyonlarıyla yüklendiğinde hacimsel genişleme ve bunun sonucunda bir anotun genişleyip büzülmesiyle oluşan malzeme kırılması da dahil olmak üzere teknik zorluklarla boğuştu.
Ancak şimdi, yaklaşık 15 yıllık kademeli iyileştirmelerden ve umutsuzluklardan sonra, silisyumun pillerdeki temel malzeme olarak kullanımı nihayet geldi.
"Silisyum, bilgi depolamayı değiştirdi ve şimdi enerji depolamayı da değiştiriyor."
– Rick Costantino, Group14
Bazı otomobil üreticileri ve silisyum anot başlatıcısı şirketler, on yıl ortasına kadar yolda olabilecek daha uzun menzilli, daha düşük maliyetli elektrikli araçlar üretmek için işbirliği yaptı. General Motors ve Palo Alto, Kaliforniya merkezli OneD Battery Sciences, OneD'nin silisyum nanoteknolojisini GM'nin Ultium pil hücrelerine yerleştiriyor. Alameda, Kaliforniya merkezli Sila Nanotechnologies'in 2021'den beri Whoop fitness takibinde kullanılan silisyum anot, 2026'da Mercedes G-Class SUV'de yer alacak. Woodinville, Washington merkezli Group14 Technologies, önümüzdeki yıl bir Porsche elektrikli aracında silisyum pil sistemine sahip olmalı.
2022'nin sonunda, Group14, Sila ve Fremont, Kaliforniya merkezli Amprius Technologies, anot malzemelerini ticarileştirmek için neredeyse yarım milyar dolar topladı; bu miktarın ABD Enerji Bakanlığı'ndan 250 milyon doları ve Group14 için ise özel yatırımlardan 214 milyon doları oluşturdu. Üç şirket de önümüzdeki birkaç yıl içinde yerel gigavat ölçekli fabrikaların faaliyete geçmesini planlıyor. Group14, Nisan ayında Washington, Moses Gölü'nde 20 gigavatlık bir tesis inşa etmeye başladı.
"Silisyum, bilgi depolamayı değiştirdi ve şimdi enerji depolamayı da değiştiriyor," diyor Group14'ün baş teknoloji yöneticisi Rick Costantino.
Silisyum, günümüzdeki grafit anotlu pillerden daha uzun menzilli, daha hızlı şarj edilebilir ve daha uygun fiyatlı elektrikli araçlar vaat ediyor. Sadece daha fazla lityum iyonu emmekle kalmıyor, aynı zamanda onları pil membranı boyunca daha hızlı taşıyor. Ayrıca Dünya kabuğundaki en bol bulunan metal olması nedeniyle daha ucuz ve tedarik zinciri sorunlarına daha az duyarlı olmalı. Durum böyleyken, neredeyse tüm grafit anot malzemesi Çin'de işleniyor.
Tesla'nın pillerinin anotlarına %5'e kadar silisyum eklediği bildiriliyor. Ancak silisyum anot başlatıcı şirketleri çok daha fazlasını yapmak istiyor.
Araştırmacılar lityum pillerin anotları için silisyum kullanımını ilk kez (yukarıda belirtildiği gibi 1976'da, grafitin geçici çözüm haline gelmesinden önce) keşfettiklerinde, şarj ve deşarj sırasında silisyumun şiddetli şişmesi ve küçülmesi anında anodu parçalayarak çözümlemeyi engelledi. Ayrıca istenmeyen yan reaksiyonlar, şarj işlemi sırasında süreci karmaşıklaştırdı ve pil ömrünü kısalttı.
Tesla gibi bazı ticari pil üreticileri, pillerinin anotlarına küçük miktarda (genellikle %5'e kadar) silisyum ekleyerek lityum tutma kapasitesini artırdı. Ancak silisyum anot başlatıcı şirketleri çok daha fazlasını yapmak istiyor.
Bunların çoğu, şişme ve yan reaksiyon sorunlarına çözüm olarak nano-mühendislik silisyumuna bakıyor. Stanford malzeme bilimi profesörü Yi Cui ve ekibi, şişmeye dayanıklı silisyum nanoteller üzerine 2008'de Nature Nanotechnology dergisinde yayınlanan bir makale ile bu araştırma alanını başlattı. Diğerleri kısa sürede farklı şekillerde çalışmaya başladı: küresel silisyum nanopartiküller, çevresinde koruyucu kaplamalar bulunan silisyum çekirdeklerden oluşan çekirdek-kabuk tipi parçacıklar ve yüzeyleri oyulmuş silisyum parçacıkları.
Cui, 2008'de silisyum nanoteller anot teknolojisini ticarileştirmek için Amprius şirketini kurdu. Şirket, nanotelleri doğrudan metal akım toplayıcı alt tabakadan büyütme sürecini geliştirdi. Nanoteller, küresel nanopartiküller kadar şişmez. Şirketin baş teknoloji yöneticisi Ionel Stefan, pilin yüksek enerji yoğunluğunun nedeni saf silisyum seçimidir diyor. Ayrıca ince, gözenekli malzemeler, boşalmış bir pilin 10 dakikada %90'lık şarj seviyesine getirilmesini sağlar.
Mart ayında Amprius, bugün piyasadaki elektrikli araç pillerinin yaklaşık iki katı olan, kg başına 500 watt-saatlik rekor yüksek sertifikalı enerji yoğunluğuna sahip bir silisyum anot pilini duyurdu. Airbus ve BAE Sistemleri, şirketin pillerini halihazırda uçaklarda kullanıyor. 2025'te açılacak 5 GW'lık bir fabrikada üretimi artırarak, Amprius ticari uçuş uygulamaları gibi dronlar ve hava taksileri için maliyetleri düşürmeyi umuyor.
Sila Nanotechnologies'in kurucusu ve CEO'su Gene Berdichevsky, lityum-iyon piller için şirketin en yeni nano bileşik silisyum anot malzemelerinden bir kavanoz tutuyor; bu malzemeler halihazırda Whoop fitness takip cihazlarında kullanılıyor.
Amprius'un anot teknolojisinin dezavantajı, "pahalı olması ve üretiminin mevcut büyük elektrikli araç pil fabrikalarıyla uyumlu olmayan özel anotlar gerektirdiğidir," diyor OneD Battery Sciences CEO'su ve kurucu ortağı Vincent Pluvinage. Bunun nedeni, Amprius'un şu anda kentsel hava ulaşımı gibi niş uygulamalara odaklanmasıdır.
Pluvinage, OneD'nin 2026'ya kadar uygun fiyatlı elektrikli araçları piyasaya sürmeye odaklandığını söylüyor. OneD de silisyum nanoteller kullanıyor ancak şirket nanotelleri grafit parçacıklarının iç gözenekleri ve yüzeylerine entegre ediyor. Silisyum işleme maliyetinin kilovat-saat başına 2 dolardan az olması ve enerji yoğunlukları kg başına 350 watt-saat ve 10 dakikadan kısa sürede %80 şarj olan piller üretmesi, OneD'nin maliyet engelini aşmak için doğru silisyum miktarını elektrikli araç pillerine nasıl ekleyebileceğini gösterdi.
Group14 ve Sila, günümüzdeki anotları üretmek için kullanılan siyah grafit tozuna benzer görünme ve davranma özelliklerine sahip silisyum malzemeler tasarlayarak maliyetleri düşük tutuyor. Bunun, mevcut pil tesislerinde doğrudan takas yapılabilmesini sağlayacağını söylüyorlar. "Pillerin üretim yöntemini değiştirmenize gerek yok... silisyum anotlar aynı fabrikalarda üretilebilir," diyor Sila'nın baş teknoloji yöneticisi Gleb Yushin. Georgia Teknoloji Enstitüsü'nde malzeme bilimi profesörü olan Yushin, 2011'de Sila'yı eski Tesla mühendisi Gene Berdichevsky ile birlikte kurdu.
Sila'nın silisyum tozu, nanoyapılı silisyum ve diğer malzemelerin, başka bir malzemeden yapılmış gözenekli bir iskelet ile çevrili mikron boyutlu parçacıklardan oluşuyor. Bu malzeme, grafit anotlu pillerden %20 daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip piller elde etmeyi sağlıyor (bu da bir elektrikli araç için yaklaşık 160 kilometre daha fazla menzil anlamına geliyor). Şirket, gelecekte bunu ikiye katlamayı planlıyor.
"Malzeme düzeyinde, sonunda grafitten daha ucuz olmalı."
—Gleb Yushin, Sila Nanotechnologies
Sila'nın bileşiği, silisyumla ilgili iki temel sorunu, yani şişmeyi ve elektrolit ile reaksiyonu çözüyor. Nanoyapılı, gözenekli malzemenin boşlukları, silisyumun hasar görmeden genişlemesine olanak tanır ve iskelet, lityum iyonlarını geçirirken elektrolit ile reaksiyonu önler, diyor Yushin.
Sila şu anda Kaliforniya'da pilot ölçekli bir tesiste anot malzemesi üretiyor ve Washington eyaletinde 20 GW'lık bir tesis inşa etmeyi planlıyor. Şirketin söylediğine göre bu tesis, önümüzdeki beş yıl içinde 1 milyon elektrikli aracın gücünü sağlayacak kadar anot malzemesi üretecek. "Şirketi elektrikli araç devrimini mümkün kılmak için kurduk," diyor Yushin. "Ölçek arttıkça maliyetler her zaman önemli ölçüde düşüyor. Malzeme düzeyinde, sonunda grafitten daha ucuz olmalı."
Group14, piller ve süper kapasitörler için gözenekli karbon malzemeler üretme konusundaki uzmanlığını kullanıyor. Şirket, patentli bir süreç kullanılarak tek adımda ve tek reaksiyonda mikron boyutlu gözenekli karbon parçacıkları oluşturuyor ve ardından silisyumu gözeneklerin içine kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile yerleştiriyor. Silisyum, CTO Costantino'nun belirttiği gibi, rakipler tarafından kullanılan kristalin silisyumdan farklı olarak, gözeneklerin içine yerleşen amorf bir formdadır. "Amorf silisyum, enerji depolama için ideal bir biçimdir. Yüksek kapasite ve daha uzun kullanım ömrüyle en kararlı formdur."
Şirketin, elektronik ve ekranlar için malzeme üretimi konusunda lider bir firma olan SK Malzemeleri ile işbirliği içinde inşa ettiği 10 GW'lık Güney Kore tesisi, önümüzdeki aylarda faaliyete geçmesi bekleniyor. Costantino, firmanın 20 GW'lık fabrikasının da önümüzdeki yıl faaliyete geçeceğini söylüyor. Sila'nın aksine, Group14, elektrikli araçlar ötesinde, hava taksileri ve elektrikli hava taşıtları gibi ulaşım uygulamalarına da bakıyor.
Nanoyapılı silisyum, anotlara silisyum eklemenin tek yolu olmayabilir. Kaliforniya, Irvine merkezli Enevate, tamamen farklı bir yaklaşım benimsedi. Şirket, silisyum nanopartiküller ve nanoteller yerine, doğrudan bakır folyoya on ila birkaç on mikron kalınlığında gözenekli silisyum filmleri yerleştiriyor. Şirketin silisyum anot pilleri, şimdi Kaliforniya merkezli Lightning Motorcycles'in yeni elektrikli bisikletlerinde yer alıyor ve 10 dakikalık bir şarjla yaklaşık 220 kilometrelik elektrikli araç menzili sağlıyor.
Bu arada, Chicago merkezli NanoGraf, grafit anotlara silisyum miktarını artırmak için başka bir yol seçti. Şirket, daha kararlı hale gelmesi için silisyum oksit malzemeyi önceden şişiriyor. Anotları, pillerin enerji yoğunluğunu %10 artırıyor ve şirket şu anda askerlerin iletişim cihazlarını, gözlüğünü ve diğer ekipmanlarını çalıştırmak için taşıyabilecekleri daha hafif pil paketleri üretiyor.
Tüm bu şirketler üretimi artırmak ve maliyetleri düşürmek için rekabet ederken, lityum-iyon teknolojisini ilerletmek için yarışan diğer pil kimyası geliştiricilerinin rekabetine de karşı koymak zorunda kalacaklar. Lityum metal, lityum hava ve lityum sülfür bunlardan sadece birkaçı. Stanford'da Cui, anot olarak saf lityum kullanan lityum metal piller üzerinde de yoğun bir şekilde çalışıyor. "Bunu pillerin kutsal kasesi olarak görüyorum," diyor. Ekibi ve diğerleri, örneğin dört ulusal laboratuvar ve beş üniversiteden oluşan ABD Battery500 Konsorsiyumu, lityum metal anotlar üzerinde muazzam ilerleme kaydetti ancak Cui'nin belirttiği gibi piller bazen yangın çıkarma riski taşıyor. Ayrıca lityum metal ve diğer teknolojiler için pilin baştan yeniden tasarlanması gerekecek.
"Lityum en az beş yıl daha piyasada olmayacak," diyor, ancak zaten silisyum anot malzemesi siparişi verebilirsiniz. "Silisyum şu anda gerçekleşiyor. Bu silisyumun çağı."
Bu makale Ağustos 2023 baskısında yayınlanmıştır.