Lityum, sodyum ve hidrojen rekabeti nasıl şekilleniyor?
Z RaporuZ Raporu
Küresel ölçekte elektrikli araçların yaygınlaşması, batarya teknolojilerini stratejik rekabet alanına dönüştürmeye devam ediyor. Lityum-iyon bataryalar liderliğini korurken, sodyum-iyon ve katı hal gibi alternatif teknolojiler daha güvenli, çevre dostu ve düşük maliyetli seçenekler sunuyor. Çin’in batarya üretiminde dominant rolü, Avrupa ve ABD’yi tedarik bağımlılığı konusunda endişelendirirken, Türkiye ise bu yarışta Ar-Ge çalışmaları ve geri dönüşüm odaklı projelerle teknolojiye katkı sunmaya odaklanıyor. Gelecekte batarya teknolojileri ve hidrojen yakıt hücreleri arasında sürecek olan bu yarışta sadece kaynak değil, vizyon ve yatırım da belirleyici olacak.
Elektrikli araçlara olan talep her geçen gün artarken, alternatif batarya konuları da gündemdeki yerini koruyor. Elektrikli araç sektöründeki hızlı ilerlemeler ile birlikte, lityum-iyon batarya sistemlerine olan taleplerin artışı arz-talep ilişkisinden dolayı lityum hammadde fiyatlarının dalgalanmasına sebep oluyor. Öyle ki, 2022 yılında 80 doların üzerine çıkan lityum hammadde kilogram fiyatları, an itibarıyla 20 doların altında seyrediyor. Ancak artan talep ile birlikte bu rakamların çok kolay bir şekilde artması bekleniyor.
Tam da bu sebepten dolayı lityum-iyon pillere birçok yeni alternatif ortaya çıkıyor, test ediliyor ancak tam anlamıyla bir türlü hayata geçemiyor. Lityum bazlı bataryaların hem hammadde ile ilgili hem de güvenlik ile ilgili risklerinden dolayı farklı batarya sistemleri veya var olan lityum bataryaların çalışma mekanizmalarında radikal değişiklikler üzerine yoğun çalışmalar devam ediyor. Bunların en başında ise katı hal bataryalar, lityum-sülfür bataryalar ve sodyum-iyon bataryalar geliyor.
Lityum katı hâl bataryalarda, geleneksel lityum-iyon bataryalardan farklı olarak sıvı elektrolit yerine katı bir elektrolit kullanılıyor.
Patlama riski daha düşük: Katı hal bataryalar
Lityum katı hal bataryalarda, geleneksel lityum-iyon bataryalardan farklı olarak sıvı elektrolit yerine katı bir elektrolit kullanılıyor. Bu yapı, daha yüksek enerji yoğunluğu, gelişmiş güvenlik özellikleri ve potansiyel olarak daha uzun ömür sunuyor. Katı elektrolitler, genellikle seramik malzemeler veya katı polimerlerden oluşuyor ve lityum iyonlarının anot ile katot arasında taşınmasını sağlıyor. Bu bataryalar, yüksek sıcaklıklarda daha iyi performans gösterirken düşük yanma ve patlama riski bulunuyor. Ayrıca, daha kompakt tasarımlara olanak tanıyarak özellikle elektrikli araçlarda menzil artışı potansiyeli sunuyor. Ancak, bu teknolojinin ticarileştirilmesi için üretim maliyetlerinin düşürülmesi ve büyük ölçekli üretim zorluklarının aşılması gerekiyor.
Çevre dostu: Lityum sülfür bataryalar
Lityum sülfür bataryalar, yüksek enerji yoğunluğu potansiyeli ile gelecek vadeden bir batarya teknolojisi olarak karşımıza çıkıyor. Bu bataryalar, lityum metal anot ve sülfür katot kullanarak geleneksel lityum-iyon bataryalara göre teorik olarak beş kat daha yüksek enerji yoğunluğu sunabiliyor. Lityum sülfür bataryaların avantajları arasında düşük maliyet, hafiflik ve çevre dostu olmaları sayılıyor. Ancak bu teknolojinin ticarileştirilmesi için hâlâ aşılması gereken zorluklar bulunuyor. Bunlar arasında kısa döngü ömrü, kendiliğinden yüksek deşarj oranı ve "shuttle" etkisi olarak bilinen lityum polisülfitlerin anot ve katot arasında istenmeyen hareketi yer alıyor. İyileştirmeye yönelik çalışmalar ise devam ediyor.
Daha düşük maliyetli: Sodyum-iyon bataryalar Sodyum-iyon (Na-iyon) bataryalar
ise elektrikli araç endüstrisinde giderek daha fazla ilgi görüyor. Bu bataryalar, lityum-iyon bataryalara göre daha düşük maliyetli ve daha bol bulunan sodyum elementini kullanıyor. Birçok firma, sodyum-iyon teknolojisini geliştirmek ve ticarileştirmek için çalışmalar yürütüyor. Elektrikli araçlarda kullanımı açısından özellikle kısa ve orta menzilli araçlar için uygun bir alternatif sunuyor. Bu bataryalar, hızlı şarj olabilme, geniş sıcaklık aralığında çalışabilme ve daha uzun ömür gibi avantajlar sağlıyor. Ancak, enerji yoğunluğu açısından lityum-iyon bataryalara göre hâlâ dezavantajlı konumda yer alıyor. Bu nedenle özellikle şehir içi kullanım ve toplu taşıma araçları gibi alanlarda daha yaygın kullanım potansiyeli taşıyor. Çin’den CATL ve HiNa Battery Technology Co. şirketleri, İngiltere’den AMTE Power PLC, İsveç’ten Northvolt ve Altris AB ile Fransa’dan Tiamat şirketi sodyum-iyon pillerin geliştirilmesi ve üretimine öncülük eden şirketler arasında yer alıyor. Dolayısıyla sodyum-iyon pillerin gelecekte lityum-iyon pillere göre daha önemli olacağı ve daha fazla role sahip olacağı düşünülüyor.
Lityum-iyon pillere en iyi alternatif olan sodyum-iyon bataryalı ilk elektrikli otomobiller, Yiwei ve JMEV tarafından Çin'de üretiliyor. İki kompakt elektrikli aracın ilki, 2023 yılında elektrikli otomobil markası Yiwei tarafından HiNa Battery ile geliştirildi. Renault ve Jiangling Motors Electric Vehicle markasına ait olan ikinci model ise Farasis Energy'nin sodyum pilleriyle donatılıyor. Araç, 252 km'lik bir menzile sahip.
Sodyum-iyon bataryaların çevreye olan zararının az olması ve ham madde üretim maliyetlerinin lityum pillere göre daha düşük olması, bu pillerin yakın gelecekte daha da yaygınlaşacağını gösteriyor.
Yarışı kim kazanacak?
Elde edilen veriler ışığında gelecekte, petrol ile çalışan araçlar, batarya ile güçlendirilmiş elektrikli araçlar ve son olarak yarışa hidrojen ile çalışan araçların da dahil olması ile bu araçların bir yarış içerisinde olacakları açık. Burada birincinin kim olacağını süreç gösterecek, lakin en sonda petrol ile çalışan araçların olma ihtimali yüksek.
Nadir elementler kullanım maliyetlerini artırıyor
İnönü Üniversitesi Batarya Teknolojileri Uygulama ve Araştırma Merkezi’nin yaklaşık 10 yıldır sodyum-iyon bataryalar üzerine çalışmalar yaptığından bahseden Prof. Dr. Serdar Altın, “Türkiye’de bu alanda en çok çalışma yapan ekip olarak ülkemizde Na-iyon batarya Ar-Ge ve yatırım çalışmalarında öncü rol oynuyoruz. Bahsedilen batarya tiplerinde nadir elementler kullanıldığı için bu tip bataryaların gündelik hayatımızdaki teknolojilere aktarılması çok mümkün gözükmüyor. Bunun nedeni ise hem altının hem de platinin çok değerli madenler arasında yer alması oluyor. Lakin özellikle hem savunma sanayinde hem de uzay çalışmalarında gerekli görülebilir ise kullanılma durumu söz konusu. Bunu bir örnek ile açıklamak gerekirse; gümüş-çinko piller, altın ve tungsten bazlı piller ile karşılaştırıldığında üretim maliyetleri çok yüksek olmasına rağmen ilk uzay çalışmalarında NASA tarafından kullanılmıştı. Bunun sebebi ise çok kararlı bir batarya performansı sağlamaları oldu. Dolayısıyla neyi niye kullanacağımız bizler için önem arz ediyor” diyor.
Katı hâl bataryalar özellikle güvenlik risklerini en yüksek seviyeye çıkarmak için önem arz ederken, lityum içermeyen batarya sistemlerindeki en büyük rakip olarak ise sodyum bataryalar karşımıza çıkıyor. Altın’a göre özellikle sodyum batarya üreten firmaların bu bataryaları elektrikli araçlara uygulama çabaları, yakın gelecekte bu tür bataryaları günlük hayatta görmemize sebep olacak. Sodyum bataryaların yaygınlaşması ile birlikte bu bataryada kullanılan sodyum kaynağının dünya genelinde çok daha ulaşılabilir ve düşük maliyetle elde edilebilir olması, Altın’a göre artık maden kısmından daha çok teknoloji kısmının baskın olması anlamına geliyor.
“Madencilik demek ekonomiklik demek”
Günümüzde sodyum ve hidrojen ile ilgili çalışmaların yapıldığını ancak pil olarak şu an için lityum ile ilerlenildiğinden bahseden bir başka isim ise İTÜ Cevher Hazırlama Mühendisliği Bölümü’nden Prof. Dr. Murat Olgaç Kangal. Kangal, “Madencilik demek ekonomiklik demek. Önce bir cevherin ekonomik olması gerekir. Ürettiğimiz cevherin maliyeti satışından kâr getirmiyorsa, orada zaten madencilik yapamayız” diyor. Türkiye’de mangan, demir, alüminyum ve bakır gibi bataryaya uygun madenlerin çıkarıldığından ancak henüz lityum üretimi yapılmadığından bahseden Kangal, “Eti Bor geçtiğimiz yıllarda lityum piller için bir pilot tesis kurdu. Orada kısmen üretim yapıyorlar ancak arabalara yetecek kadar bir üretim şu an için söz konusu değil. Daha ziyade biz bu dönemlerde geri dönüşüm yöntemleri ile bu madenleri kazanmaya çalışıyoruz. Buna da ikincil kaynaklardan kazanım deniyor. Şu an için arabalarda çok fazla geri dönüşüm için pil çıkmasa da uzun yıllardır kullandığımız telefonlardan çıkan pillerden kazanım sağlıyoruz. Elektrikli scooterlar da bu dönüşüme dahil olan araçlar arasında yer alıyor” diyor.
Madenleri çıkarırken hangi işlemler kullanılıyor?
Madeni çıkarırken öncelikle madenin yer altında ya da yer üstünde olma durumu üzerinden hareket edilir. Yüzeye yakın yerlerden çıkarılacak maden daha ekonomik olur. Bir açık ocak işletmesi vardır, bir de yer altı işletmesi vardır. Açık ocakta doğrudan yüzey kazılarak ufak ufak alta girilir. Kömürler ve endüstriyel ham maddeler bu şekilde üretilir. Her kömür değil tabii ki. Bazı kömürler ve çok değerli madenler de yer altından çıkarılır. Çok değerli cevherler, elmas gibi madenler; basınçla ve sıcaklıkla oluşan malzemeler için çok daha yerin altına inilir ve iki yöntem kullanılır. Yer altına indikçe de çıkarma maliyetleri artar.
“Dünya ile aynı seviyedeyiz”
Sodyum-iyonun henüz lityum-iyon ile rekabet edebilir şekilde otomobillerde kullanılabilecek seviyede olmadığını söyleyen İTÜ Malzeme Mühendisliği Bölümü’nden Prof. Dr. Özgül Keleş ise eğer öncelikli olarak müşterinin istediği kullanım menziline ve güvenliğe karşılık gelecek enerji yoğunluğu, batarya ömrü boyunca kararlı performans ve güvenlik olarak ihtiyaç karşılanabiliyorsa, lityum-iyonun pahalı olduğu yerlerde sodyum-iyonun tercih edilebileceğini ekliyor. Keleş, “Bugün yurt dışında çalışan araştırmacılarla pek çok öğretim üyemiz benzer seviyelerde. Ancak araştırma alanındaki rekabette, özellikle malzemelerin ileri karakterizasyonlarının yapılarak ‘nasıl’ sorusuna karşılık gelen bilgiyi elde etmekte zorlanıyoruz. Türkiye’de eksik olan şey, araştırmanın sürekliliğini sağlayamıyoruz ve araştırmalardaki temel mekanizmayı bulmak için ileri teknoloji araştırma karakterizasyon cihazlarımız yok. Bu tür olaylarda devlet araştırma desteği veriyor ancak sanayicimizin yatırımlarında öngörülerinde artık yenilikçi teknolojilere şimdiden yatırım yapmayı ön plana alması gerekiyor” diyor.
Otobüs ve tırlarda tükenmeyen yakıt hücreleri kullanılmaya başlandı
Lityum-iyon, enerji yoğunluğu ve güvenlik açısından menzil ve şarj alışkanlıklarımıza daha uygun olduğu için binek araçlarda en iyi çözüm olarak görünüyor. Şu an büyük araçlarda özellikle alternatif olarak otobüs ve tırlarda kullanılan yakıt hücreleri de var. Hidrojen yanıcı bir malzeme olduğu için bu konu ile ilgili çalışmalarda dar boğazlardan biri hidrojenin depolanmasıdır. Aksi durumda hidrojen kontrolsüz olarak hava ile yakıt hücresi dışında buluştuğunda yanıcı hâle gelip patlama riski oluşturabilir. Araştırmacılar çalışmalar sonucunda yeni malzeme ve prosesler buluyorlar; her yüksek lisans ve doktora tezi özgünlük içeriyor.
Peki, hidrojen iyi bir alternatif olabilir mi?
Elektrikli araç teknolojisinde lityum-iyon bataryalara alternatif olarak görülen diğer bir teknoloji ise yakıt hücreleri. Yakıt hücreleri, kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren elektrokimyasal cihazlar. Bu sistemler genellikle hidrojen gibi bir yakıt ile oksijeni kullanarak elektrik üretiyor. Yakıt hücreleri; yüksek verimlilik, düşük emisyon ve sessiz çalışma gibi avantajlar sunuyor. Otomotiv, taşınabilir elektronik cihazlar ve sabit güç kaynakları gibi çeşitli alanlarda kullanım potansiyeline sahip olan hücrelerin yaygın kullanımları için maliyet, dayanıklılık ve altyapı gibi zorlukların aşılması gerekiyor. Burada en büyük risk ise hidrojen gazının yanıcı ve patlayıcı olması; bu problemlerin geliştirilmesi için Ar-Ge çalışmaları devam ediyor. Yakıt hücresi ile çalışan elektrikli araçların en büyük avantajı ise depodaki hidrojen bittiğinde petrol istasyonuna gider gibi hidrojen dolum istasyonuna gitmeye ve batarya şarjında olduğu gibi beklemeye gerek kalmıyor.
Özellikle yük taşımacılığında batarya ile çalışan elektrikli kamyon ve tırların ağırlığının artışı ile birlikte aracın menzili ciddi şekilde azalacağından, hidrojen ile çalışan kamyon ve tırların büyük ilgi göreceği düşünülüyor. Prototip üreten Hyundai firması ise testlerini yapmaya devam ediyor.
Bugünün olmayanı ileride olabilir
Bataryalarda “memory efekt” dediğimiz bir şey var. Kullandığınız pil her defasında daha az şarj olur, aynı kapasitede olmaz. Ama lityumda böyle bir şey yok. Lityum-iyon bataryalar yüzde 100 olmasa da hep aynı seviyelerde şarj oluyor; memory efekti yok, yani hafızasına almıyor. Hep aynı oranda doluyor ve bitiyor. O yüzden çok ünlendi ve önemli hâle geldi. Lityum, atık olarak atıldığı zaman da daha güvenli olduğu için daha çok tercih ediliyor. Teknoloji ilerledikçe de yeni alternatifler gelmeye devam edecek. Geçmişte yüzde 4’lük bakırı ham cevher olarak düşünüp zenginleştirmeye sokarken, şimdi yüzde 0,04’lük bakırı aynı işleme tabi tutuyoruz. Teknoloji ilerliyor ve kazanımlar arttıkça süreç farklı işliyor. O yüzden bugünün olmayanı ileride olabilir.
*Bu yazının başlığı yazardan bağımsız editoryal olarak hazırlanmıştır.
Sitemizde paylaştığınız yorumlar, diğer kullanıcılar için değerli bir kaynaktır. Lütfen farklı görüşlere ve diğer kullanıcılara saygılı olun. Kaba, saldırgan, aşağılayıcı veya ayrımcı ifadeler kullanmaktan kaçının.