Esnek batarya ihtilali: Kesilebiliyor, kendini onarıyor ve uzun mühlet dayanıyor

Giyilebilir teknolojiler ve robotlar için ihtilal niteliğinde bir adım atan bir araştırma grubu, bükülebilen, kesilebilen, delinmeye güçlü ve hatta kendini onarabilen yeni kuşak lityum batarya geliştirdi. Jel kıvamındaki bu batarya, klasik Li-ion bataryaların gereksinim duyduğu sert korumalara muhtaçlık duymadan inançla çalışabiliyor. Kulağa en başta “haftalık batarya haberi” üzere geliyor olsa da yeni batarya, temel sıkıntıları çözmesiyle esnek bataryaların önünü açıyor.

Günümüzde akıllı telefonlardan elektrikli araçlara kadar pek çok aygıtta kullanılan Li-ion bataryalar, patlayıcı ve toksik elektrolitleri barındırdıkları için sert ve hava geçirmez korumalarda tutulmak zorunda. Fakat bu yapı, esnek giyilebilir teknolojilerde ve yumuşak robotlarda batarya kullanımını zorlaştırıyor. Artık ise UC Berkeley’den bir grup bu sorunu ortadan kaldırmak için toksik olmayan, su bazlı ve sağlam bir jel batarya tasarladı.

Hidrojellerin sonları derin bilim ile aşıldı

Daha evvel de hidrojel tabanlı esnek bataryalar geliştirildi, fakat bu bataryalar sırf birkaç saat ya da birkaç gün çalışabiliyordu. Öte yandan en büyük sorun bu da değildi.

İlk kuşak hidrojel elektrolitler; bir polimer ağı (bataryaya yapısal form kazandıran), ağın bütünlüğünü sağlayan çapraz bağlayıcılar (örneğin boraks yahut hidrojen bağları), su (sıvı fazı) ve iyon sağlayan tuzlar ya da katkı unsurlarından oluşuyordu. Batarya şarj ya da deşarj epeyce, bu iyonlar su bazlı jel içinde hareket ederek güç transferini sağlıyordu.

Ancak bu yapıda birtakım ciddi kısıtlamalar bulunuyordu. Bilhassa en büyük sorun, bataryanın inançlı biçimde çalışabileceği voltaj aralığının – yani elektrokimyasal stabilite penceresinin – epeyce dar olmasıydı. Günümüzde bataryalar genelde 3.3 voltla çalışıyor. Lakin hidrojelin bu voltajı inançlı halde 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 düzeyinde bile hidrojen ve oksijen gazlarına ayrışmaya başlıyordu. Bu ayrışma hem randıman kaybına hem de güvenlik risklerine neden oluyordu.

Bu sorunu aşmak için kimi araştırmacılar, suya yüksek oranda konsantre edilmiş, flor içeren lityum tuzları eklediler. Bu katkı hususları, suyun kolaylıkla ayrışmasını engellese de yeni bir sorun doğurdu: yüksek toksisite. Florlu lityum tuzları, insan sıhhati için son derece zararlıydı ve mümkün bir batarya hasarında önemli kimyasal yanıklara yol açabiliyordu.

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

Yeni geliştirilen bataryanın kimyasal temeli, zwitteriyonik (hem müspet 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 gereğince sıkı bağlayarak onun yüksek voltajda ayrışmasını önlüyor lakin birebir vakitte muhtaçlık duyulduğunda lityum iyonlarının hareket etmesine de müsaade veriyor.

Geliştirilen tahlil birebir vakitte havadan nem de çekebiliyor. Öte yandan klâsik hidrojel üretiminde polimer ağlar suya batırılarak yüzde 80’e kadar su ile doyurulur. Yeni bataryada ise bu oran yalnızca yüzde 19. Bu sayede hidrojel elektrolit, oda şartlarında bile (yaklaşık %50 nem oranında) kararlı bir yapı sunabiliyor.

Ardından eklenen elektrotlarla birlikte, bu yenilikçi hidrojel bir devre kartına bağlanarak birkaç LED ışığını çalıştıracak halde bataryaya dönüştürüldü. Enteresan olan şu ki: Bu batarya, hiçbir sızdırmaz koruma 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

Yapılan testlerde yumuşak, jelimsi batarya, çeşitli fizikî hasarlara karşı olağanüstü bir dayanıklılık sergiledi. Büküldü, 180 derece döndürüldü, iğneyle delindi ve hatta jiletle kesildi – tüm bu süreçler sonrasında bile LED ışıkları çalıştırmaya devam etti. En dikkat alımlı özelliklerinden biri ise kendini onarabilmesi: İkiye kesilen batarya, birleştirilip fırında yavaşça ısıtıldığında kapasitesinin yüzde 90’ına kadar geri dönebiliyor.

Her ne kadar bu yeni teknoloji heyecan verici olsa da, ticari kullanım için kimi alanlarda geliştirilmesi gerekiyor. Batarya 500 döngü sonunda kapasitesinin sırf yüzde 60’ını koruyabiliyor – bu oran, ticari bataryalarda ekseriyetle yüzde 80. Ayrıyeten güç yoğunluğu, günümüzün en âlâ bataryalarının sırf onda biri düzeyinde. UC Berkeley grubu, gelecekte bu bataryanın enerji yoğunluğunu artırmak için çalışmalarını sürdüreceğini söylüyor.

Ama bu haliyle bile giyilebilir teknolojiler için umut vadediyor. Örneğin akıllı saatler ve onların yalnızca mekanik bir fonksiyon gören kayışlarını düşünün. Bu kayışlarda esnek bataryalar konulursa aygıtı tahminen de haftada bir şarj etmek kâfi olacak. Ve bu yalnızca tek bir örnek. Akıllı kıyafetlerden sıhhat sensörlerine, esnek ekranlardan robotlara kadar birçok alanda kullanım imkanı var.