“Geleceğin Enerjisi Bataryada Gizli: Türkiye, Lityum-Sülfür Yarışında Öne Çıkabilir”
Küresel ölçekte enerji dönüşümü, yalnızca teknolojik değil, aynı zamanda çevresel ve ekonomik bir zorunluluk halini aldı. Ulaşımda fosil yakıtlardan uzaklaşma, yenilenebilir kaynakların sürekliliğini sağlama ve karbon ayak izini azaltma hedefleri, bugün enerji depolama çözümlerine her zamankinden daha fazla ihtiyaç duyulmasına neden oluyor. Bu alanda öne çıkan teknolojilerden biri ise, yüksek enerji yoğunluğu, düşük maliyeti ve çevre dostu yapısıyla dikkat çeken lityum-sülfür bataryalar. Peki bu yenilikçi bataryalar gerçekten enerji sorununa kalıcı bir çözüm sunabilir mi? Bu sorunun cevabını, kariyerini batarya teknolojilerine adamış, ABD’de prestijli kurumlarda yürüttüğü araştırmalarla adından söz ettiren ve 2022 yılında L’Oréal-UNESCO “Bilim Kadınları İçin” ödülüne layık görülen Boğaziçi Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü Öğretim Üyesi Doç. Dr. Damla Eroğlu Pala ile yaptığımız bu özel röportajda arıyoruz.
Röportaj: Esra YAZDIÇ DEMİR – TTGV Kurumsal İletişim ve Medya Yöneticisi
İklim teknolojileri neredeyse tüm ülkelerin öncelikli gündem maddesi olarak yer alıyor. Bu bir mecburiyet ancak aynı zamanda da bir fırsatlar bütünü. Sizi bu çalışma alanına iten ne oldu? Nasıl bir merakla ya da motivaslonla enerji, batarya konusunda uzmanlaşmaya kararını verdiniz?
ABD’de Columbia Üniversitesi’nde doktora çalışmalarımı sürdürürken ilk olarak General Electric ve New York Eyaleti Enerji Araştırma ve Geliştirme Kurumu (NYSERDA) tarafından desteklenen bir projede görev aldım. Bu projede, şarj edilebilir sodyum-demir klorür bataryası için kritik bir degradasyon mekanizmasını göz önünde bulunduran bir model geliştirdim. Batarya teknolojilerine olan ilgim ve altyapım ilk olarak bu projede başladı. Doktoram sırasında bu projeden sonra ise Boeing şirketi tarafından desteklenen bir projede uçaklarda korozyon rezistansı için kullanılan krom ve kadmiyum bazlı kaplamalara çevre dostu bir alternatif olan nikel-seramik kompozit kaplamaların elektrodepozisyon yöntemiyle üretilmesi üzerine yoğunlaştım. Bu projenin de çevresel sürdürülebilirlik ve endüstriyel uygulama yönleri yüksekti fakat beni asıl heyecanlandıran konunun batarya teknolojileri olduğunu anladım. Dolayısıyla, doktora sonrası çalışmalarımı ABD’de batarya teknolojileri konusunda öncü olan Argonne Ulusal Laboratuvarı’nda yapmaya karar verdim. Buradaki araştırmalarım elektrikli arabalarda kullanılmak amacıyla geliştirilen şarj edilebilir bataryaların tekno-ekonomik modellemesi üzerineydi. Buradaki araştırmalarım sırasında ABD Enerji Bakanlığı’nın desteklediği, 14 farklı kuruluştan oluşan ve batarya konusunda dünyaca ünlü uzmanların yer aldığı bir merkez olan “Joint Center for Energy Storage Research (JCESR)” projesinde görev aldım. Bu kadar kapsamlı ve disiplinlerarası bir projede çalışmak hem bataryalar konusundaki teknik deneyimimi oldukça arttırdı hem de bana bu alanın en önde gelen bilim insanlarıyla beraber çalışma olanağı sağladı. Şarj edilebilir bataryaların elektrikli arabalarda kullanılması hem karbon emisyonlarını hafifletecek hem de benzine olan bağımlılığı azaltacaktır. Buna ek olarak şarj edilebilir bataryalar akıllı şebekelerde kullanıldığında, güneş ve rüzgar gibi sürdürülebilir enerji kaynaklarından daha etkili bir biçimde yararlanılabilecektir. Bu sebeple yüksek enerji yoğunluğu ve düşük maliyete sahip bataryaların geliştirilmesi, çağımızın enerji sorununu çözmede kritik bir rol oynamaktadır. Çevresel, sosyal ve toplumsal etkisi oldukça güçlü olan bu konuda araştırma yapmak beni oldukça mutlu ediyor.
2022 yılında L’Oréal-UNESCO “Bilim Kadınları İçin” Programı’nda Fiziki Bilimler dalında ödül aldınız. Yüksek enerjiye sahip ve daha uzun süre çalışabilen lityum-sülfür bataryalar geliştirme sürecinde çalışıyor ve karbon emisyonlarını ve benzine olan bağımlılığı azaltmayı hedefliyorsunuz. Bu alanda dünyada ve Türkiye’de çalışmalar nasıl ilerliyor?
Elektrikli arabalarda ve akıllı şebekelerde kullanılmak üzere yüksek enerji yoğunluğuna sahip, düşük maliyetli şarj edilebilir bataryalar geliştirilmesinde, lityum-sülfür bataryalar sülfürün yüksek özgül kapasitesi, ucuzluğu, doğada bol miktarda bulunması ve toksik olmaması sebebiyle son yıllarda büyük önem kazandı. Lityum-sülfür bataryalar günümüzde yaygın olarak kullanılan lityum-iyon bataryaların yaklaşık beş katı teorik özgül enerjiye sahip. Fakat, lityum-sülfür bataryaların enerji yoğunluğu ve döngü ömürleri kısıtlı. Dolayısıyla, lityum-sülfür bataryaların enerji yoğunluğu ve döngü ömrünü arttırmaya odaklanan araştırmalar dünyada oldukça hızlı ilerliyor. Literatürde son on senedeki araştırmalar incelendiğinde, post lityum-iyon batarya kimyaları arasında en fazla araştırma odağı alan teknolojinin lityum-sülfür olduğu görülüyor. Buna ek olarak, dünyada bu konuda kurulan start-up’lar da teknolojinin hızla ilerleyeceğine işaret ediyor. ABD kaynaklı Lyten, uygun fiyatlı elektrikli araç bataryalarını desteklemek ve kritik hammaddelere bağımlılığı azaltmak amacıyla Nevada’da 1 milyar dolarlık bir lityum-sülfür batarya gigafabrikası kurmayı planlıyor. Stellantis, ticari elektrikli araç kullanımını hedefleyen lityum-sülfür bataryalarının geliştirilmesi için Zeta Energy ile iş birliği yaptı. Hedefleri arasında daha düşük maliyet, azaltılmış ağırlık ve daha hızlı şarj yer alıyor. Molibden disülfid ile stabilize edilmiş sülfür katotları kullanan Cambridge Üniversitesi kaynaklı bir girişim olan Molyon ise robotik ve drone’lara yönelik hücreleri geliştirmek için yakın zamanda 4.3 milyon avro topladı. Türkiye’de de benzer şekilde lityum-sülfür bataryalar ile ilgili araştırmalar özellikle son yıllarda arttı. Biz de yakın zamanda Boğaziçi Üniversitesi ve Marmara Üniversitesi olarak yaptığımız akademik iş birliği sonucu Doç. Dr. Mustafa Şengör, Dr. Ayşegül Kılıç ve Fatih Altun ile birlikte TÜBİTAK BİGG desteği alarak SpinCell Teknoloji isimli bir start-up kurduk. Burada amacımız akademik çalışmalarımızı ürüne dönüştürerek yüksek enerji yoğunluğuna sahip lityum-sülfür bataryalar üretmek.
Türkiye’de bu tür ileri enerji teknolojileri, yeni enerji depolama malzemeleri üzerine çalışan araştırmacıların karşılaştığı fırsatlar ve kısıtlar hakkında ne düşünüyorsunuz?
Türkiye’de karşılaşılan fırsatlar olarak şunları sayabilirim: akademide farklı alanlarda bilim insanlarının işbirliği yapabilmesi ve akademi-sanayi işbirliği için uygun zeminlerin yaratılması. Yeni nesil enerji teknolojilerinin geliştirilmesi için disiplinlerarası bir yaklaşım oldukça önemli. Örneğin, batarya sistemlerinde kimya, fizik, malzeme mühendisliği, kimya mühendisliği ve makine mühendisliği gibi birçok farklı alanın katkısı gerekmekte. Benzer şekilde, bu teknolojilerin ticarileşebilmesi için enerji yoğunluğu ve fiyat gibi belirleyici performans ölçütlerinde endüstrinin katkısı oldukça kritik. Türkiye’de bu işbirliği mekanizmalarının iyi işlediğini düşünmekteyim. Bilim ve teknolojide karşılaştığımız en önemli kısıt olarak ise teçhizat ve kimyasal alımlarında karşılaştığımız bütçe ve termin süreleri problemlerini sayabilirim.
Karbon-nötr bir geleceğe ulaşmak için enerji depolama teknolojilerinde nasıl bir dönüşüm görüyorsunuz? Lityum-sülfür bataryaların bu dönüşümdeki rolünü nasıl tanımlarsınız?
Enerji depolama teknolojileri karbon-nötr bir geleceğe ulaşmak için oldukça kritik. Öncelikle bataryaların elektrikli arabalarda kullanılabilmesi karbon emisyonlarını önemli ölçüde azaltacak çünkü enerji ihtiyacının yaklaşık üçte biri ulaşımdan kaynaklanmakta. Buna ek olarak, güneş ve rüzgar enerjisinin etkili bir biçimde depolanması enerji üretiminin önemli bir kısmının sürdürülebilir enerji kaynaklarından elde edilmesine olanak sağlayacak. Fakat bunun için mutlaka yüksek enerji yoğunluğuna ve düşük fiyata sahip batarya teknolojilerinin geliştirilmesi gerekli. Lityum-sülfür bataryalar sülfürün yüksek özgül kapasitesi, ucuzluğu, doğada bol miktarda bulunması ve toksik olmaması sebebiyle burada önem kazanıyor. Buna ek olarak, lityum-sülfür bataryalarda katotta aktif madde olarak sülfür kullanılmakta. Sülfür Türkiye’de bol bulunan ve maliyeti düşük bir malzeme. Dolayısıyla döngü ömrü ile ilgili sorunlar çözüldüğü takdirde lityum-sülfür bataryaların, alternatifleri lityum-iyon bataryalara kıyasla Türkiye’de üretilmesi daha kolay olacaktır.
Döngü Ömürleri ve Enerji Yoğunlukları İstenilen Ölçüde değil
Son dönemde, lityum polisülfitlerin çözünmesi sorununu çözmek amacıyla hibrit polimer ağ yapılı katotlar gibi yenilikçi malzeme tasarımları önerildiğini görüyoruz. Bu tür tasarımlar, bataryaların döngüsel stabilitesini nasıl iyileştiriyor ve enerji yoğunluğunu nasıl artırıyor?
Lityum-sülfür bataryaların ticarileşmesi önündeki en büyük engel döngü ömürleri ve enerji yoğunluklarının istenilen ölçüde olmaması. Bunun sebepleri şu şekilde açıklanabilir. Öncelikle hem sülfür hem de oluşan ürün lityum sülfidin yalıtkan katılar olması sebebiyle, bu maddelerin katotta çökelmesi elektronik iletkenliği azaltmakta ve reaksiyon yüzeyini pasife ederek aktif madde kullanımını sınırlamakta. İkinci olarak, şarj sırasında katotta oluşan reaksiyon ara ürünü çözünür polisülfidler anoda taşınmakta, burada lityum metaliyle tepkimeye girerek ya anot yüzeyinde çökelmekte ya da geri katoda taşınmakta. Bu polisülfid mekik mekanizması, lityum-sülfür bataryaların Kulombik verimini ciddi ölçüde azaltarak, self deşarja ve anot yüzeyinin aşınmasına yol açmakta. Bunlara ek olarak anotta kullanılan lityum metalinin yüzey morfolojisi döngüyle değişmekte, aktif yüzey alanının artması elektrolitle gerçekleşen yan reaksiyonları hızlandırmakta. Bu istenmeyen reaksiyonlar hücrede hem lityum metalini hem de elektroliti tüketmekte. Bu sayılan mekanizmalar lityum-sülfür bataryaların hızlı kapasite kaybına uğramasına ve döngü ömrünün ciddi oranda azalmasına neden olmakta. Buna ek olarak, sayılan bu mekanizmaları engellemek adına hücre tasarımında çok yüksek miktarda elektrolit ve karbon kullanılmakta; halbuki, inaktif malzeme miktarının artması enerji yoğunluğunu önemli ölçüde düşürmekte. Son yıllardaki araştırmalar bize lityum-sülfür bataryaların enerji yoğunluğu ve döngü ömrünün arttırılması için en önemli yaklaşımın yenilikçi malzeme tasarımı olduğunu gösteriyor. Hem katot için karbon ve benzeri iletken malzeme tasarımı hem de elektrolit tasarımı en yaygın yaklaşımlar. Yenilikçi katot malzeme tasarımı sonucunda hem katodun elektronik iletkenliği ve yüzey alanı arttırılmakta hem de elektrolitte çözünen polisülfidler hapsedilerek anoda kaçmaları engellenmekte. Bunun yanı sıra, katoda çok daha yüksek miktarlarda sülfür yüklemesi yapılabilmekte ve döngü sırasında meydana gelen hacim değişimleri engellenebilmekte. Benzer şekilde, yenilikçi elektrolit tasarımlarıyla birlikte lityum metalin döngülenmesinde daha yüksek Kulombik verimler sağlamakta, pil güvenliğini arttırılmakta ve polisülfid mekik mekanizması bastırılmakta. Bizim de son zamanlarda devam eden deneysel çalışmalarımız, elektrolit ve katot tasarımına odaklanmış durumda. Örneğin, sülfolan ve iyonik sıvı elektrolitler ve metal-organik-kafes bazlı, vanadyum- ve kobalt-modifiye Ketjen Siyahı bazlı, titanyum disülfid bazlı ve elektrodepozisyonla üretilmiş nikel-sülfür katotlarla lityum-sülfür pillerin geliştirilmesi üzerine çalışıyoruz.
Bataryaların önündeki ekonomik engel
Günümüzde, lityum sülfür bataryaların ticari üretimi sınırlıdır. Bu bataryaların seri üretime geçebilmesi için hangi teknik ve ekonomik engellerin aşılması gerektiğini ve bu süreçte karşılaşılan zorlukları nasıl değerlendiriyorsunuz?
Lityum-sülfür bataryaların yaygın kullanımı için uygulanabilir enerji yoğunluğu ve döngü ömrünün arttırılması şart. Lityum-sülfür bataryalarda malzeme ve hücre tasarımı batarya performansı açısından kritik bir öneme sahip. Dolayısıyla lityum-sülfür bataryalarda malzeme ve katot tasarımının hücre- ve sistem-düzeyi performansla bağlantılarının derinlemesine incelenmesi bu pillerin istenen düzeye ulaşması için oldukça önemli. Ekonomik olarak en büyük engel ise teknoloji bilgi-birikimi ve hammaddeler için dışa bağımlı olmak. Günümüzde Türkiye’de hücre üretimine başlandı, fakat teknolojiyi Türkiye’de üretmediğimiz sürece ekonomik engelleri aşamayacağımızı düşünmekteyim.
Bataryaların tasarımına ilişkin önemli öneriler
Lityum sülfür bataryaların gelecekteki gelişimiyle ilgili olarak, hangi yeni malzeme ve tasarım stratejilerinin bu bataryaların performansını daha da iyileştirebileceğini ve ticari başarı şansını artırabileceğini öngörüyorsunuz?
Bu bataryaların istenen düzeye ulaşması ancak materyal, hücre ve sistem düzeyindeki kritik faktörlerin ilişkilendirilmesi ile mümkün. Varolan literatür lityum-sülfür bataryaların kapasitesi ve döngü ömrünü artırmaya yoğunlaşmış durumda. Yüksek kapasite ve döngü ömrü bu bataryaların performansı açısından büyük önem taşımakta, fakat lityum-sülfür bataryaların günümüzün lityum-iyon pilleriyle yarışabilecek hale gelmesi için mutlaka enerji yoğunluğu da göz önüne alınarak tasarlanması gerekmekte. Dolayısıyla, geliştirilecek bataryaların oldukça yüksek sülfür yükleme oranları ve düşük elektrolit miktarlarıyla tasarlanması şart. Burada yenilikçi elektrolit ve katot malzeme tasarımı bu bataryaların performansını iyileştirerek, ticari başarı şansını artıracaktır. Son zamanlarda katı-hal elektrolitler, nano-karbon yapılara enkapsüle edilmiş sülfür katotlar, bağlayıcı ve akım toplayıcı içermeyen üç-boyutlu katotlar vb. tasarımlar en öne çıkan yaklaşımlar.
Erken aşama teknolojilerin ticari ölçeği geçmesi sürecinde Avrupa, Asya ve Türkiye’yi karşılaştırdığınızda biz neleri iyi yapıyor neleri daha iyi yapabilir?
Türkiye’nin mutlaka geleceğin post lityum-iyon teknolojilerine önemli bir araştırma yatırımı yapması gerekli. Lityum-iyon bataryaların ticarileşmesi konusunda Avrupa ve Türkiye geride kaldı. Halbuki, yeni ticarileşmiş veya henüz ticarileşmemiş teknolojilerde öne çıkma şansımız daha olası. Örneğin, sodyum-iyon bataryalar lityum-iyon teknolojisini takip eden ve yeni ticarileşmeye başlayan bir teknoloji. Türkiye burada önemli bir rol oynayabilir. Benzer şekilde, yeni-nesil lityum-sülfür bataryalarını hem akademinin hem de endüstrinin araştırma odağına alması gerektiğini düşünüyorum.
Avrupa’da büyük yatırımlar alıp piyasadan çekilen yeni nesil batarya üreticileri olduğunu biliyoruz. Türkiye’de de bu alanda yatırımlar var sizce bu sürecin pozitif ilerlemesi için biz ne yapmalıyız? Sürdürülebilir batarya teknolojisi için neler yapılmalı?
Yeni-nesil batarya teknolojilerinin geliştirilmesi için hem akademide disiplinlerarası iş birlikleri hem de akademi-endüstri iş birlikleri oldukça önemli. Bataryalarda birçok kimyasal ve elektrokimyasal süreç eş zamanlı olarak meydana geliyor. Dolayısıyla, yeni nesil bataryaların geliştirilmesinde akademide disiplinlerarası bir yaklaşım oldukça önem kazanıyor. Bununla beraber, bir teknolojinin sürdürülebilir olabilmesi için endüstrinin katkısı oldukça kritik. Endüstride uzun vadeli bir yaklaşımla yalnızca şu an ticari olan batarya sistemlerine değil, önümüzdeki on yıl içinde ticarileşmesi muhtemel olan yeni-nesil kimyalara araştırma yatırımı yapılmalı.
Batarya teknolojisinde Çin sektörde piyasayı domine ediyor. Peki, bu süreçte Türkiye kendini nasıl var etmeli? Yeni teknolojiler yarışında nasıl konumlanmalı?
Burada en önemli husus, bataryaların kritik hammaddelerinde dışa bağımlılığı azaltmak. Ancak bu sayede rekabet edilebilir. Örneğin, lityum-iyon bataryalarda hem anottaki aktif malzeme lityum metali hem de katottaki metal oksitlerdeki nikel, kobalt, manganez gibi metaller için ciddi bir dışa bağımlılık söz konusu. Bu kritik hammaddelerin Türkiye’de elde edilebilmesi önemli bir fark yaratacaktır. Buna ek olarak, geleceğin post lityum-iyon teknolojilerine önemli bir araştırma yatırımı yapılması gerekli. Henüz ticarileşmemiş teknolojilerde öne çıkma şansımız daha olası.
