Ünlü mucit Thomas Edison tarafından geliştirilen nikel-demir batarya teknolojisi, uzun yıllar boyunca gölgede kalmıştı.

Ancak yeni bir araştırma, bu eski fikrin modern enerji altyapılarında önemli bir rol oynayabileceğini ortaya koyuyor.

Bilim dergisi Small’da yayımlanan çalışmaya göre, aralarında Kaliforniya Üniversitesi Los Angeles (UCLA) mühendislerinin de bulunduğu ekip, saniyeler içinde şarj olabilen ve 12 binden fazla şarj döngüsüne dayanabilen bir batarya prototipi geliştirdi. Bu performans, günlük kullanımda 30 yıldan fazla bir ömre karşılık geliyor.

Edison’un Hayali Neden Gerçekleşmedi?

Şarj edilebilir elektrikli araç fikri aslında yeni değil. Hatta 1900 yılı civarında ABD yollarında benzinli araçlardan daha fazla elektrikli-hibrit otomobil bulunuyordu.

Edison, 1901 yılında otomobiller için çalışan bir kurşun-asit bataryanın patentini aldı. Bu teknoloji, ulaşım tarihinde farklı bir dönemin kapısını aralayabilirdi. Ancak yüksek maliyetler ve yaklaşık 48 kilometrelik menzil sınırı nedeniyle içten yanmalı motorlar karşısında başarılı olamadı.

Mucit daha sonra nikel-demir bataryalar üzerinde çalışsa da bu teknoloji otomotiv sektöründe beklenen dönüşümü yaratamadı.

Yenilenebilir Enerji İçin Yeni Bir Fırsat

Araştırmacılar, Edison’un nikel-demir bataryalarının günümüz elektrikli araçları için uygun olmadığını kabul ediyor. Buna rağmen teknoloji, güneş enerjisi santralleri gibi büyük ölçekli enerji tesislerinde dikkat çekici bir potansiyele sahip.

UCLA ekibine göre bataryanın hızlı şarj olması, uzun ömürlü yapısı ve yüksek güç çıkışı, onu enerji depolama uygulamaları için cazip hale getiriyor.

İlham Kaynağı Kemikler ve Kabuklar Oldu

Çalışmanın ortak yazarlarından biyokimyacı Maher El-Kady, kullanılan yöntemin sanıldığı kadar karmaşık olmadığını belirtiyor.

Araştırmacılar ilhamı hem temel kimyadan hem de canlıların iskelet yapılarından aldı. Omurgalıların kemikleri ve kabukları, belirli proteinlerin kalsiyum bazlı bileşikleri yönlendirmesiyle oluşuyor.

Malzeme bilimci Ric Kaner, güçlü ama kırılgan olmayan kemiklerin oluşumunda yalnızca malzemenin değil, bu malzemenin nasıl yerleştirildiğinin de kritik rol oynadığını vurguluyor.

Bilim insanları, bu doğal sistemi taklit ederek kalsiyum yerine nikel ve demir kullanıp kullanamayacaklarını araştırdı.

Protein Atıklarından Nano Ölçekli Yapılar

Ekip, protein kaynağı olarak sığır işleme süreçlerinden kalan yan ürünleri kullandı. Bu proteinler, karbon ve oksijenden oluşan tek atom kalınlığındaki grafen oksitle birleştirildi.

Sonuçta pozitif yüklü nikel atomları ve negatif yüklü demir atomları içeren katlanmış bir protein yapısı oluşturuldu. Bu kümeler o kadar küçük ki, bir insan saç telinin genişliğine ulaşmak için 10 bin ila 20 bin tanesinin yan yana gelmesi gerekiyor.

Ancak grafen oksitteki oksijen atomları elektrik iletimini sınırlayabiliyordu. Araştırmacılar bunu aşmak için yapıyı aşırı sıcak suya maruz bıraktı. Bu işlem sırasında proteinler karbona dönüşürken oksijen büyük ölçüde uzaklaştırıldı ve metal kümeleri yapının içine daha güçlü şekilde yerleşti.

Ortaya çıkan aerogel malzeme hacminin yaklaşık yüzde 99'u havadan oluşan son derece hafif bir yapı kazandı.

Nano Boyutun Sağladığı Avantaj

El-Kady’ye göre parçacıklar küçüldükçe yüzey alanı dramatik biçimde artıyor. Bu durum bataryaların performansını önemli ölçüde yükseltiyor.

Nano ölçekli kümelerde neredeyse her atom enerji reaksiyonlarına katılabiliyor. Böylece şarj ve deşarj süreçleri çok daha hızlı gerçekleşirken enerji depolama verimliliği de artıyor.

Elektrikli Araçlar İçin Değil, Şebekeler İçin Uygun

Yeni geliştirilen nikel-demir aerogel bataryası, enerji depolama kapasitesi açısından lityum-iyon bataryaların seviyesine henüz ulaşabilmiş değil. Bu nedenle elektrikli araçlarda kullanılması şu an için mümkün görünmüyor.

Buna karşın teknoloji, güneş enerjisi santrallerinde gündüz üretilen fazla elektriğin depolanması ve gece şebekeye aktarılması için etkili bir çözüm sunabilir.

Ayrıca yüksek enerji tüketen veri merkezlerine yedek güç sağlama konusunda da önemli bir alternatif olarak değerlendiriliyor.

Nadir Metallere Bağımlılığı Azaltabilir

Araştırmanın dikkat çekici yönlerinden biri de üretim sürecinde yaygın olarak bulunan malzemelerin kullanılması. Bu yaklaşım, lityum-iyon bataryalarda ihtiyaç duyulan bazı kritik ve nadir metallerin kullanımını azaltma potansiyeli taşıyor.

El-Kady, geliştirdikleri sistemin temelinde karmaşık veya pahalı bileşenler bulunmadığını belirterek, yaygın hammaddelerin basit ısıtma işlemleriyle işlenmesinin yeterli olduğunu ifade ediyor.

Araştırma henüz erken aşamada olsa da Edison’un bir asır önce hayal ettiği nikel-demir bataryalar, bu kez otomobiller yerine yenilenebilir enerji altyapılarında kendilerine yeni bir kullanım alanı bulabilir.