Geleceği çalıştıran piller

Japonya'nın Amagasaki şehrindeki Pil Malzemeleri Laboratuvarında çalışan BASF araştırmacıları, lityum-iyon pillerin performanslarını geliştirecek ve elektrikli araçların sürüş menzilini artıracak inovatif malzemeler geliştiriyor.

Pazartesi sabahı saat dokuz ve organik kimyager Dr. Masaki Sekine, Almanya ve BASF'nin pil malzemeleri konusunda çalışan diğer uluslararası ARGE merkezlerinden gelen e-postaları okuyor. Sekine, 2014 yılının başında kurulan ve BASF’nin bu alanda kurduğu merkezlere son olarak eklenen Japonya'nın Amagasaki şehrindeki Pil Malzemeleri Laboratuvarında çalışıyor. Dr. Sekine "Henüz var olmayan tamamen yeni bir molekül" yaratmak için çalışırken arkadaşlarının katkılarını bekliyor. Sekine aynı zamanda, pilin pozitif elektrotu olan katot ile negatif elektrotu olan anot arasında lityum iyonlarının akışını sağlayan ve kimyasal aracı görevi gören elektrotlarda katkı maddesi olarak kullanılmak üzere inovatif maddeler sentezleyen bir ekipte yer alıyor. Bu yeni katkı maddeleri, pildeki elektrokimyasal reaksiyonları, dolayısıyla da pilin performansını etkiliyor.

Dr. Sekine'nin ürettiği  katkı maddelerinin özellikleri, müşterilerin pillerin hangi yönünü geliştirmek istediğine bağlı olarak değişiyor. Laboratuvara gelen müşterilerin çoğu, elektrikli araçlar için pil geliştiren Japon lityum-iyon pil üreticileri. Bu müşteriler genellikle, daha yüksek güç yoğunluğu, yüksek ısıl kararlılık ya da artırılmış devir performansı, yani mümkün olan boşalma ve şarj olma sayısı gibi gelişmiş özelliklerle ilgileniyor. Dr. Sekine, yeni bir katkı maddesi oluşturmak için organik sentez sürecini kullanıyor. Katkı maddesinin sentezi bir solvent içinde gerçekleşiyor ve reaksiyonun başarılı bir şekilde tamamlanmasından sonrabu solventin ayrıştırılması gerekiyor.

“Katkı maddesinin saf hale getirilmesi oldukça zorlu bir süreç" diyor Sekine ve ekliyor, "Genellikle işler planlandığı gibi yürümüyor. Çoğu zaman tek bir saflaştırma işlemi, doğru özelliklere uygun saflığı elde etmek için yeterli olmuyor. Çok küçük çökeltiler bile kontrol dışı reaksiyonlara yol açıp pil performansını ciddi şekilde etkileyebiliyor, örneğin kullanılmadığında pilin boşalma riskini artırması gibi.” Fakat çalışırken global bir iletişim ağına sahip olduğunu bilmek ilham veriyor. Ekipler bu sayede daha hızlı çözüm üretebiliyor. Dr. Sekine deneyimlerini anlatmaya devam ediyor: "Bir keresinde bir sentezin içinden çıkamamış, teorik olarak çeşitli sentetik yollar mümkün olsa da bunları uygulayamamıştım. Daha sonra Almanya'daki bir çalışma arkadaşım benimle iletişime geçti ve çok daha etkili olan alternatif bir katalizör yöntemini önerdi." Bu gibi destekler ve açık işbirlikleri oldukça önemli. Bu yüzden Dr. Sekine'nin bir sonraki adımı elde ettiği sonuçları laboratuvarın elektrokimyasal test grubu ile görüşmek oluyor.  

Testing 1, 2, 3, 4 ...

Test grubunda yer alan araştırmacılardan biri de, 2013 yılında Çin'in Yanji şehrinden ekibe katılan Dr. Zhen-Ji Han. Dr. Han, elektrolit formüllerinin geliştirilmesine yardımcı oluyor ve gelecek nesil anot malzemeleri kullanarak pillerin elektrokimyasal testlerini gerçekleştiriyor. En son sentezlenen katkı maddelerini test etmek de görevleri arasında yer alıyor. Dr. Han yeni katkı maddesini, koruyucu önlük, eldiven ve gözlüklerin giyildiği hücre birleştirme odasına götürüyor. Burada katkı maddesini hazırlanan baz elektrolit ile karıştırıyor ve ardından elde ettiği solüsyonu test hücresine enjekte ediyor. Bu sayede hücrenin elektrokimyasal özelliklerini kontrol ediyor. Pil performansı kullanıldıkça ve zaman içinde azalır. Dolayısıyla performans, kullanım ömrü ve devir uzunluğu gibi özelliklerin test edilmesi gerekiyor. Hücre, devir uzunluğunu test etmek için silindir bir makineye yerleştiriliyor. Burada haftalar ve aylarca tekrar tekrar şarj ediliyor ve boşaltılıyor.

Dr. Han, sonrasında elde ettiği sonuçları sentez grubu ile paylaşıyor. "Pilin kimyasal etkileşimleri hakkında daha fazla bilgiye sahip olduğumuz için sentez yapan ekibe hangi katkı maddelerinin işe yarayıp yaramadığını açıklayabiliyoruz ve molekül yapılarını tekrar nasıl tasarlayabilecekleri konusunda tavsiyelerde bulunuyoruz," diyor Dr. Han.

“Katot ve elektrolit malzeme geliştirmedeki uzmanlığımız ve bir takım olarak birlikte çalışabilme yeteneğimiz bizi farklı kılıyor.”

Dr. Martin Schulz-Dobrick, Japonya, Amagasaki Pil Malzemeleri Laboratuvarı Başkanı

Farklı ihtiyaçları gidermek

Laboratuvarda yürütülen işlerin çoğu müşterilerin gereksinimleri doğrultusunda özel olarak tasarlanıyor. İşte tam burada Hiromu Sugiyama devreye giriyor. Katot geliştirme bölümünde çalışan uzman araştırmacı, doğrudan müşterilerle çalışarak performans hedeflerini gerçekleştirmelerine yardımcı oluyor. Sugiyama, geçiş metali içeriğinin hedeflenen performans görevlerine uygun olup olmadığını anlamak veya bir malzemeye ait tanecik boyutu ve şeklin performans hedefi üzerindeki olumlu ya da olumsuz etkisini görmek için katot malzemelerin test verilerini kontrol ediyor. “Katodun pildeki diğer bileşenlerle nasıl etkileşimde olduğunu daima göz önünde bulundurmalıyız" diyor 2014 yılında ekibe katılan Sugiyama ve şöyle devam ediyor: "Dolayısıyla test ve analizler diğer araştırma ekipleriyle yakın çalışma ile gerçekleştiriliyor.”

Her şey tek bir çatı altında

“Amagasaki Laboratuvarı birçok yönden özel bir yer" diyor başkan Dr. Martin Schulz-Dobrick ve ekliyor: “Burası, BASF'nin Asya Pasifik bölgesinde, katot, elektrot ve elektrolit malzemeleri, uygulama teknolojileriyle birlikte geliştiren ilk tesisi. Laboratuvarımızda yalnızca bu malzemeler üzerinde temel araştırmalar yürütmüyor, ayrıca prototip piller üreterek de müşterilerimize destek veriyoruz." Bir müşterimiz için ortak olarak geliştirdiğimiz elektrolit çözümünü buna örnek olarak gösterebiliriz. “Test pillerinin tasarım ve üretimini ortaklaşa gerçekleştiriyoruz. Böylece, müşterilerimizin ihtiyaçlarına uygun şekilde malzemelerimizi test etme fırsatını yakalıyoruz ve tüm gelişim sürecini de hızlandırmış oluyoruz" diyor laboratuvar başkanı.

Ayrıca bu tesiste farklı araştırma alanları özellikle tek bir çatı altında toplanıyor. “Bu da laboratuvarımızın en büyük avantajlarından biri,” vurgusunu yapıyor 2013 yılında BASF'nin Almanya’daki merkezinden Japonya'ya transfer edilen Schulz-Dobrick ve şöyle devam ediyor: "Katot ve elektrolit malzemeler geliştirmedeki uzmanlığımız ve bir ekip olarak çalışabilme yeteneğimiz bizi sadece elektrolit ya da katot malzemelerde uzmanlaşan diğer üreticilerinden farklı kılıyor. Biz her iki alanda da uzmanlığa sahibiz."

İlgili içerik