Fin şirket, yenilenebilir ormanlardan üretilen lignin bazlı sert karbonu kullanarak sürdürülebilir pil oluşturmak için çalışıyor.
Şirketin amacı, karbon ayak izini ve maliyeti düşürerek, elektrikli araçlar, tüketici elektroniği ve enerji depolama sistemlerinde kullanılacak, ağaçlardan elde edilen anot içeren dünyanın ilk endüstriyel pilini geliştirmektir.
Elektrikli araçlara olan talep arttıkça, bilim insanları sürdürülebilir piller yapmak için malzemeler arıyor. Ağaçları odunsu yapan lignin, güçlü bir rakip olacak şekilde şekilleniyor.
Yaklaşık sekiz yıl önce, Finlandiya'daki büyük bir kağıt üreticisi dünyanın değişmekte olduğunu fark etti. Dijital medyanın yükselişi, ofis baskısındaki düşüş ve diğer faktörlerin yanı sıra posta yoluyla göndermenin popülaritesinin azalması, kağıdın sürekli bir düşüşe geçtiği anlamına geliyordu.
Finlandiya'daki Stora Enso kendisini "dünyanın en büyük özel orman sahiplerinden biri" olarak tanımlıyor. Bu nedenle, örneğin ahşap ürünler, kağıt ve ambalaj yapmak için kullandığı çok sayıda ağaca sahiptir. Şimdi de piller yapmak istiyor – sekiz dakika gibi kısa bir sürede şarj olan elektrikli araç pilleri.
Şirket, ağaçlarda bulunan bir polimer olan lignin kullanma olasılığını araştırmak için mühendisler tuttu. Türüne bağlı olarak bir ağacın yaklaşık %30'u lignindir - geri kalanı büyük ölçüde selülozdur.
Stora Enso'nun lignin bazlı pil çözümü Lignode başkanı Lauri Lehtonen, "Lignin, selüloz liflerini birbirine yapıştıran ve aynı zamanda ağaçları çok sert yapan, ağaçlardaki yapıştırıcıdır" diye açıklıyor.
Bir polimer olan lignin karbon içerir. Ve karbon, anot adı verilen pillerdeki hayati bir bileşen için harika bir malzemedir. Telefonunuzdaki lityum iyon pilin neredeyse kesinlikle bir grafit anodu vardır - grafit, katmanlı bir yapıya sahip bir karbon şeklidir.
BBC’den Chris Baraniuk'un haberine göre, Stora Enso'nun mühendisleri, bazı tesislerinde hâlihazırda üretilmekte olan atık kağıt hamurundan lignini çıkarabileceklerine ve bu lignini pil anotları için bir karbon malzemesi yapmak üzere işleyebileceklerine karar verdi. Firma, İsveç şirketi Northvolt ile ortaklık kurarak 2025 yılına kadar pil üretmeyi planlıyor.
Kağıt fabrikaları, pil bileşenleri yapmak da dahil olmak üzere başka amaçlar için kullanılabilen büyük miktarlarda atık lignin üretir.
Elektrikli araba satın alan ve evde enerji depolayan daha fazla insanla birlikte, pillere yönelik küresel iştahın önümüzdeki yıllarda keskin bir şekilde artması bekleniyor. Lehtonen'in gördüğü gibi, "talep akıllara durgunluk veriyor".
2015'te, dünyanın pil stoklarında her yıl birkaç yüz ek gigawatt saat (GWh) gerekliydi - ancak yönetim danışmanlığı McKinsey'e göre, dünya fosil yakıtlardan uzaklaştıkça, bu rakam 2030'a kadar yılda birkaç bin ek GWh'ye fırlayacak. Sorun şu ki, bugün güvendiğimiz lityum iyon piller büyük ölçüde çevreye zarar veren endüstriyel süreçlere ve madenciliğe bağlı. Ayrıca, bu pillerin bazı malzemeleri zehirlidir ve geri dönüştürülmesi zordur. Ayrıca birçoğu, insan hakları sicili zayıf olan ülkelerden temin edilmektedir.
Örneğin sentetik grafit yapmak, karbonu haftalarca 3.000C'ye (5.432F) kadar ısıtmayı içerir. Danışmanlık şirketi Wood Mackenzie'ye göre, bunun için gereken enerji genellikle Çin'deki kömürle çalışan elektrik santrallerinden geliyor.
Daha yaygın olarak bulunabilen sürdürülebilir pil malzemeleri arayışı devam ediyor. Bazıları onları ağaçlarda bulabileceğimizi söylüyor.
Genel olarak, tüm pillerin bir katoda ve anoda ihtiyacı vardır - aralarında iyon adı verilen yüklü parçacıkların aktığı sırasıyla pozitif ve negatif elektrotlar. Pil bilimcisi ve mühendisi olan Jill Pestana, bir pil şarj edildiğinde lityum veya sodyum iyonları katottan anoda aktarılır ve burada çok katlı bir otoparktaki arabalar gibi yerleşir diye açıklıyor.
"Bir malzemenin bu park yapısında olmasını istediğiniz ana özellik, lityum veya sodyumu kolayca alıp gitmesine izin verebilmesi ve parçalanmamasıdır" diye açıklıyor.
Elektrikli araba gibi bir şeye güç sağlamak için pil boşaldığında, iyonlar elektronları serbest bıraktıktan sonra katoda geri dönerler - elektronlar bir elektrik devresinde tel boyunca hareket ederek araca enerji aktarırlar.
Pestana, grafitin "muhteşem" bir malzeme olduğunu çünkü bu tür reaksiyonların gerçekleşmesini sağlayan güvenilir bir anot kadar iyi çalıştığını söylüyor.
Ligninden türetilen karbon yapıları da dahil olmak üzere alternatiflerin işe uygun olduklarını göstermek için sektörde bir mücadele var. Ligninden grafen - başka bir karbon formu - yapan İsveç'teki Bright Day Graphene gibi, pil geliştirmede ligninin potansiyelini araştıran çok sayıda firma var.
Lehtonen, firması Stora Enso'nun Lignode adını verdiği karbon anot malzemesinin erdemlerini göklere çıkarıyor. Şirketin lignini nasıl bir sert karbon yapısına dönüştürdüğünü veya bu yapının tam olarak ne olduğunu, sürecin lignini ısıtmayı içerdiğini söylemek dışında tam olarak açıklamayacak - ancak hiçbir yerde sentetik grafit üretimi için gerekli olan sıcaklıklar kadar yüksek değil. .
Ortaya çıkan karbon yapısının önemli bir özelliği, "amorf" veya düzensiz olmasıdır, diyor Lehtonen: "Aslında iyonların içeri ve dışarı çok daha fazla hareketliliğine izin veriyor."
Stora Enso, bunun sekiz dakika kadar kısa bir sürede şarj edilebilecek bir lityum iyon veya sodyum iyon pil yapmalarına yardımcı olacağını iddia ediyor. Hızlı şarj, elektrikli araç pillerinin geliştiricileri için önemli bir hedeftir.
Birleşik Krallık'taki Imperial College London'dan Magda Titirici ve meslektaşları tarafından ligninden türetilen karbon anotlar üzerine yapılan ayrı bir araştırma, çok sayıda oksijen açısından zengin kusur içeren karmaşık, düzensiz karbon yapıları içeren iletken matlar yapmanın mümkün olduğunu öne sürüyor. Titirici, bu kusurların anodun sodyum iyon pillerde katottan aktarılan iyonlarla reaktivitesini artırdığını ve bunun da şarj sürelerini kısalttığını söylüyor: "Bu iletken mat piller için harika."
New York Rochester Üniversitesi'nden Wyatt Tenhaeff, laboratuvar ortamlarında lignin türevli anotlar da yaptı. Lignin "gerçekten harika" diyor, çünkü birçok potansiyel kullanıma sahip olabilecek bir yan ürün. Deneylerde, o ve meslektaşları, lignini, lityum iyon pillerde yaygın bir bileşen olan tutkal veya bakır bazlı bir akım toplayıcı gerektirmeyen, kendi kendini destekleyen bir yapıya sahip bir anot yapmak için kullanabileceklerini keşfettiler. Bunun ligninden türetilen karbon anotların maliyetini azaltabileceği gerçeğine rağmen, ticari olarak grafit anotlarla rekabet edebileceklerinden şüpheli. "Yerleşik grafiti değiştirmek için maliyet veya performans açısından yeterince büyük bir adım değişikliği olacağını düşünmüyorum" diyor.
Bir de sürdürülebilirlik konusu var. Uluslararası Temiz Ulaşım Konseyi'nde araştırmacı olan Chelsea Baldino, anot üretimi için kullanılan lignin kağıt yapım sürecinden bir yan ürün olarak çıkarıldığı sürece, pil yapmak için ek ağaçların kesilmeyeceğini söylüyor. .
Stora Enso'nun sözcüsü, şu anda şirketin kullandığı tüm ligninin "hamur çıkarma işleminin bir yan akışı" olduğunu ve bunun kullanılmasının kesilen ağaç sayısını veya kağıt hamuru yapımında kullanılan odun hacmini artırmadığını doğruladı.
Pestana, ligninden anot yapmak isteyen herkesin, bu ligninin kaynağı olan ormancılığın da sürdürülebilir olduğundan emin olması gerektiğini ekliyor. "Kağıt hamuru endüstrisi sürdürülebilir değilse, o zaman malzemenin kendisi de sürdürülebilir şekilde türetilmiş bir malzeme değildir" diye açıklıyor.
Atık kağıt hamurundan yapılan pillerin sürdürülebilirliği, hammaddelerin gerçekten atıklardan gelmesinin sağlanması da dahil olmak üzere birçok faktöre bağlıdır.
Stora Enso'nun 2021 yıllık raporuna göre şirket "kullandığı tüm ahşabın menşeini biliyor ve %100 sürdürülebilir kaynaklardan geliyor".
Anotların yanı sıra ligninin pillerde kullanılabileceği en az bir yol daha var. 2022 Nisan ayında İtalya'daki bir araştırma ekibi, lignin bazlı bir elektrolit geliştirme çabaları hakkında bir makale yayınladı. Bu, katot ve anot arasında oturan bileşendir - iyonların elektrotlar arasında akmasına yardımcı olur, aynı zamanda elektronları pilin bağlı olduğu elektrik devresinde istenen yolu almaya zorlar. Başka bir deyişle, akıllı telefonunuzu ölü bırakacak olan elektronların elektrotlar arasında basitçe zıplamasını önler.
Milano Politeknik Üniversitesi'nden Gianmarco Griffini, elektrolitler için polimerleri petrolden elde edebileceğinizi söylüyor, ancak bunun yerine alternatif, sürdürülebilir kaynaklar bulmanın faydalı olacağını da ekliyor.
Lignin kullanma fikrinin, kendisinin ve meslektaşlarının bu malzemeyi güneş panellerinde kullanmayı denedikten sonra ortaya çıktığını açıklıyor. "Güneş pillerinde elde ettiğiniz verimlilik nispeten sınırlıdır çünkü lignin kahverengidir, bu nedenle aslında bir miktar ışığı emer" diye açıklıyor. Pillerde bunun önemi yok.
Anot üretimi için lignin, kendisini oluşturan karbonlara ayırmak için ısıl işleme tabi tutulur. Ancak kendini "polimer adam" olarak tanımlayan Griffini, onu polimer formunda kullanmayı tercih ettiğini söylüyor. Bunu göz önünde bulundurarak, o ve meslektaşları, deneysel bir potasyum pilinde iyonların hareketine yardımcı olan bir jel polimer elektrolit geliştirdiler. "Aslında oldukça güzel çıktı" diyor.
Tüm bu fikirlerin ticari uygulanabilirliği henüz kanıtlanmamıştır. Ancak Titirici, teorik olarak elektrolitte ligninden elde edilen polimerlerin yanı sıra anotta ligninden türetilen karbonlar kullanan bir pil yapabileceğinizi de ekliyor.
Kaynak: storaenso.com bbc.com/future
Editor - yesilodak.com