Esnek batarya devrimi: Kesilebiliyor, kendini onarıyor ve uzun süre dayanıyor

Günümüzde akıllı telefonlardan elektrikli araçlara kadar pek çok cihazda kullanılan Li-ion bataryalar, patlayıcı ve toksik elektrolitleri barındırdıkları için sert ve hava geçirmez muhafazalarda tutulmak zorunda. Ancak bu yapı, esnek giyilebilir teknolojilerde ve yumuşak robotlarda batarya kullanımını zorlaştırıyor. Şimdi ise UC Berkeley’den bir ekip bu problemi ortadan kaldırmak için toksik olmayan, su bazlı ve dayanıklı bir jel batarya tasarladı.

Hidrojellerin sınırları derin bilim ile aşıldı

Daha önce de hidrojel tabanlı esnek bataryalar geliştirildi, ancak bu bataryalar yalnızca birkaç saat ya da birkaç gün çalışabiliyordu. Öte yandan en büyük sorun bu da değildi.

İlk nesil hidrojel elektrolitler; bir polimer ağı (bataryaya yapısal form kazandıran), ağın bütünlüğünü sağlayan çapraz bağlayıcılar (örneğin boraks veya hidrojen bağları), su (sıvı fazı) ve iyon sağlayan tuzlar ya da katkı maddelerinden oluşuyordu. Batarya şarj ya da deşarj oldukça, bu iyonlar su bazlı jel içinde hareket ederek enerji aktarımını sağlıyordu.

Ancak bu yapıda bazı ciddi kısıtlamalar bulunuyordu. Özellikle en büyük sorun, bataryanın güvenli şekilde çalışabileceği voltaj aralığının – yani elektrokimyasal stabilite penceresinin – oldukça dar olmasıydı. Günümüzde bataryalar genelde 3.3 voltla çalışıyor. Ancak hidrojelin bu voltajı güvenli şekilde kaldırabilmesi için bu pencerenin en az 4 volt civarında olması gerekiyor. Su bazlı elektrolitler ise bu eşiği aşmakta yetersiz kalıyordu. Su, yaklaşık 1.2 volt seviyesinde bile hidrojen ve oksijen gazlarına ayrışmaya başlıyordu. Bu ayrışma hem verim kaybına hem de güvenlik risklerine neden oluyordu.

UC Berkeley’deki araştırma ekibi işte bu noktada farklı bir yaklaşım benimsedi. Hedefleri, hem geniş bir voltaj aralığında çalışabilen hem de toksik olmayan, güvenli bir hidrojel elektrolit üretmekti.

Yeni geliştirilen bataryanın kimyasal temeli, zwitteriyonik (hem pozitif hem negatif yüke sahip) bir polimer ağı üzerine kuruldu. Bu özel polimer, su molekülleriyle güçlü hidrojen bağları kurabiliyor ve lityum iyonlarını kendine çekerek bataryanın çalışmasını sağlıyor. Bu yapı, suyu yeterince sıkı bağlayarak onun yüksek voltajda ayrışmasını önlüyor ama aynı zamanda ihtiyaç duyulduğunda lityum iyonlarının hareket etmesine de izin veriyor.

Geliştirilen çözüm aynı zamanda havadan nem de çekebiliyor. Öte yandan geleneksel hidrojel üretiminde polimer ağlar suya batırılarak yüzde 80’e kadar su ile doyurulur. Yeni bataryada ise bu oran sadece yüzde 19. Bu sayede hidrojel elektrolit, oda koşullarında bile (yaklaşık %50 nem oranında) kararlı bir yapı sunabiliyor.

Ardından eklenen elektrotlarla birlikte, bu yenilikçi hidrojel bir devre kartına bağlanarak birkaç LED ışığını çalıştıracak şekilde bataryaya dönüştürüldü. İlginç olan şu ki: Bu batarya, hiçbir sızdırmaz muhafaza olmadan bir ay boyunca çalışmayı başardı ve 3.1 voltun üzerinde su ayrışması yaşanmadı.

Ek olarak geliştirilen yeni hidrojel batarya ise 500 tam şarj döngüsüne kadar dayanabiliyor – bu, birçok akıllı telefon bataryasının ömrüne denk bir sayı.

Kendini onarabiliyor, hatta kesilse bile çalışıyor

Her ne kadar bu yeni teknoloji heyecan verici olsa da, ticari kullanım için bazı alanlarda geliştirilmesi gerekiyor. Batarya 500 döngü sonunda kapasitesinin yalnızca yüzde 60’ını koruyabiliyor – bu oran, ticari bataryalarda genellikle yüzde 80. Ayrıca enerji yoğunluğu, günümüzün en iyi bataryalarının yalnızca onda biri seviyesinde. UC Berkeley ekibi, gelecekte bu bataryanın enerji yoğunluğunu artırmak için çalışmalarını sürdüreceğini söylüyor.

Ama bu haliyle bile giyilebilir teknolojiler için umut vadediyor. Örneğin akıllı saatler ve onların sadece mekanik bir işlev gören kayışlarını düşünün. Bu kayışlarda esnek bataryalar konulursa cihazı belki de haftada bir şarj etmek yeterli olacak. Ve bu sadece tek bir örnek. Akıllı kıyafetlerden sağlık sensörlerine, esnek ekranlardan robotlara kadar birçok alanda kullanım imkanı var.