Yengeç ve Karides Kabuklarından Üretildi: 1000 Döngülük Çinko Pil

Bilim insanları, deniz ürünleri işleme süreçlerinden geriye kalan yengeç, karides ve ıstakoz kabuklarından elde edilen kitosanı kullanarak daha sürdürülebilir bir çinko metal pil geliştirdi. Amerika Birleşik Devletleri’ndeki Maryland Üniversitesi öncülüğünde yürütülen araştırmada kullanılan kitosan bazlı jel elektrolit, laboratuvar testlerinde çinko anotun 1000’den fazla şarj-deşarj döngüsünde yüzde 99,7’lik Coulomb verimliliğine ulaşmasını sağladı.

Araştırma, ilk olarak 2022 yılında bilimsel literatüre girdi. Bu nedenle söz konusu teknoloji henüz piyasaya sunulmuş, seri üretime geçmiş veya geleneksel pillerin yerini almış bir ürün olarak değerlendirilmiyor. Çalışmanın öne çıkan yönü, pilin performansını artırırken deniz ürünleri atıklarından yararlanması ve elektrolit bölümünün biyolojik olarak parçalanabilmesi oldu.

KABUK ATIKLARI KİTOSAN BAZLI ELEKTROLİTE DÖNÜŞTÜRÜLDÜ

Yengeç, karides ve ıstakoz gibi kabuklu deniz canlılarının dış iskeletlerinde bulunan kitin, çeşitli işlemlerden geçirilerek kitosana dönüştürülebiliyor. Araştırmacılar bu biyolojik malzemeyi çinko iyonlarıyla bir araya getirerek pil içerisinde kullanılabilecek jel formunda bir elektrolit hazırladı.

Elektrolit, pilin pozitif ve negatif elektrotları arasında iyonların hareket etmesini sağlayan temel bileşenlerden biri. Geliştirilen sistemde kitosanın moleküler yapısı, çinko iyonlarının kontrollü biçimde taşınmasına yardımcı olacak şekilde kullanıldı. Böylece deniz ürünleri sektöründe atık olarak görülen kabuklar, enerji depolama araştırmalarında işlevsel bir malzemeye dönüştürüldü.

ÇİNKO PİLLERDEKİ DENDRİT SORUNUNA ÇÖZÜM HEDEFLENDİ

Şarj edilebilir çinko metal pillerin karşılaştığı önemli sorunlardan biri, şarj ve deşarj sırasında çinko yüzeyinde düzensiz metal birikintilerinin oluşması. Dendrit adı verilen bu mikroskobik, sivri yapılar büyüdükçe elektrotlar arasında temas meydana getirerek kısa devre riskini artırabiliyor.

Kitosan-çinko elektrolitinin amacı, çinko iyonlarının pil içerisindeki hareketini ve elektrot yüzeyinde birikmesini daha düzenli hale getirmek. Araştırma sonuçlarına göre jel yapı, çinkonun daha homojen ve düzenli plakalar halinde birikmesine katkı sağladı. Bu düzenleme, dendrit oluşumunun ve buna bağlı kararsızlığın azaltılmasına yardımcı oldu.

LABORATUVAR TESTLERİNDE YÜZDE 99,7 VERİMLİLİK

Bilimsel çalışmada çinko anotun, kitosan bazlı elektrolitle 1000’den fazla döngü boyunca yüksek kararlılık gösterdiği bildirildi. Test koşullarında ölçülen yüzde 99,7’lik değer, Coulomb verimliliğini ifade ediyor. Bu ölçüm, şarj sırasında sisteme verilen yükün ne kadarının deşarj sırasında geri alınabildiğini gösteriyor; doğrudan pilin toplam enerji yoğunluğu veya tüm kullanım koşullarındaki genel verimliliği anlamına gelmiyor.

Araştırmada ayrıca tam pil hücrelerinin yüksek akım koşullarında performans gösterdiği ve 2C seviyesinde 400’den fazla döngü boyunca çalışabildiği aktarıldı. Bu sonuçlar, teknolojinin özellikle rüzgar ve güneş enerjisinden üretilen elektriğin depolanması gibi sabit enerji depolama uygulamaları açısından araştırmaya değer görüldüğünü ortaya koyuyor. Ancak bu testler laboratuvar ölçeğinde gerçekleştirildi ve ticari ölçekte uzun yıllar sürecek kullanımın sonuçlarını tek başına kanıtlamıyor.

PİLİN KİTOSAN BÖLÜMÜ BEŞ AYDA PARÇALANABİLİYOR

Geliştirilen tasarımın çevresel açıdan dikkat çeken tarafı, elektrolit olarak kullanılan kitosanın biyolojik olarak parçalanabilmesi. Araştırmacıların aktardığı test sonuçlarına göre kitosan elektrolit, toprakta bulunan mikroorganizmaların etkisiyle yaklaşık beş ay içinde tamamen ayrışabiliyor.

Bu durum pilin tamamının doğada yok olduğu anlamına gelmiyor. Çalışmada, pilin yaklaşık üçte ikisinin mikroorganizmalar tarafından parçalanabildiği belirtildi. Geriye kalan başlıca metal bileşen olan çinkonun ise uygun geri dönüşüm süreçleriyle yeniden değerlendirilebileceği ifade edildi. Dolayısıyla sistem, tamamen atıksız bir pil değil; biyolojik olarak parçalanabilen ve geri dönüştürülebilen bileşenleri artırmayı amaçlayan bir tasarım olarak öne çıkıyor.

LİTYUM YERİNE GEÇMESİ BEKLENMİYOR

Çinko, lityuma kıyasla daha yaygın ve görece düşük maliyetli bir metal olarak değerlendiriliyor. Çinko bazlı sulu pillerin yanıcılık ve malzeme erişilebilirliği bakımından bazı avantajlar sunabileceği düşünülüyor. Bununla birlikte yeni kitosanlı sistem, mevcut lityum iyon pillerin doğrudan alternatifi veya elektrikli araçlarda kullanılmaya hazır bir teknoloji olarak açıklanmadı.

Araştırmanın odak noktası, yüksek enerji talebinin uzun süre karşılanması gereken şebeke ve sabit depolama uygulamalarında daha güvenli, düşük maliyetli ve çevresel etkisi azaltılmış bir çinko pil mimarisi geliştirmek. Bu tür uygulamalarda enerji yoğunluğundan çok maliyet, güvenlik, çevrim ömrü ve üretim ölçeği gibi unsurlar önem taşıyabiliyor.

TİCARİLEŞME İÇİN DAHA FAZLA TEST GEREKİYOR

Laboratuvar sonuçları umut verici olsa da kitosanlı çinko pilin ticari kullanıma geçebilmesi için daha geniş kapsamlı testlere ihtiyaç bulunuyor. Büyük ölçekli enerji depolama sistemlerinde pilin farklı sıcaklıklarda, değişken yüklerde ve uzun süreli kullanımda nasıl performans göstereceği henüz netleşmiş değil.

Ayrıca kabuk atıklarının toplanması, kitosana dönüştürülmesi, elektrolitin standart kalitede üretilmesi ve hücrelerin seri üretime uygun hale getirilmesi gibi süreçlerin de değerlendirilmesi gerekiyor. Bu nedenle çalışma, ticari bir ürün duyurusundan çok, biyolojik atıklardan yararlanan sürdürülebilir çinko pil teknolojisi için önemli bir laboratuvar gösterimi niteliği taşıyor.