Şahin ÇOŞKUN
Fotoğraf: REUTERS/Tyrone Siu
Pil teknolojileri, sürdürülebilir enerji devriminin yeni bir cephesi olarak karşımıza çıkmaktadır.
Geçen hafta Çin, elektrikli araçların lehine benzin ve dizel motorlu otomobillerin üretimini yasaklamayı planlayan İngiltere, Fransa, Hindistan ve Norveç’in arasına katıldı. Bu arada, güneş ve diğer yenilenebilir enerjilerin hızlı büyümesi, şebeke ölçeğindeki kullanımın verimli olması için enerji depolama teknolojisine gerek duymaktadır. Bu eğilimlerin, önümüzdeki birkaç yıl içerisinde, küresel lityum-iyon pil üretiminin yılda 30 GW/saatten 200 GW/saate çıkmasına sebep olacağı öngörülmektedir.
Şimdi ise enerji depolama teknolojileri için artan talebi karşılayabilecek yeterli hammaddeye sahip olup olmadığımız ve bu malzemelerin ne kadar sürdürülebilir olduğuyla ilgili sorular sorulmaktadır.
Teknoloji
Lityum-iyon pil teknolojisi, tıbbi cihazlar, cep telefonları, bilgisayarlar, elektrikli el aletleri, dronlar, hibrid ve elektrikli arabalar, otobüsler, feribotlar, uçaklar gibi bir çok farklı uygulamayla birlikte artık günümüzde ev tipi enerji depolama sistemlerinde de kullanılabilmektedir.
Tüm bu farklı uygulamalarda kullanılabilmek için, lityum-iyon pilleri boyut ve şekil bakımından farklılık arz etmektedir. Örneğin, tekli prizmatik pil akıllı bir telefonda kullanılabilirken, 7104 model silindir tipli piller (kalem pillerine benzer, ancak daha büyük olanlar), Tesla Model S araçlarda 85 kW/saat’lik pil takımını oluşturmak için birbirlerine bağlanarak kullanılmaktadır. Günümüzde, tüketici elektroniği pazarında her yıl bir milyardan fazla şarj edilebilir lityum iyon pil üretilmektedir. Ayrıca son beş yılda lityum-iyon pil hücresi maliyetlerinde yaklaşık 400 $ / kW/saat’den 150 $ / kW/saat’e kadar azalma gerçekleşmiştir.
Kaynak: Deutsche Bank
Küresel lityum talebinin 2025 yılı itibariyle iki katından fazlasına çıkması öngörülmektedir.
Kobaltın Önemi
Günümüzde Lityumun sürdürülebilirliği sıklıkla sorgulanırken, nedense kobalt elementi daha az tartışılmaktadır. Hâlbuki Sony, lityum iyon pilleri gibi ticarileştirdiği 1991 yılından beri, pil endüstrisi kobalt elementine de bağlıdır. Bugün bir akıllı telefon bataryası 1 gram lityuma karşılık 8 gram kobalt içermektedir. Bir lityum iyon hücresinde, kobalt element halde değil, hücrenin katot terminaline bağlanmış lityum ve kobalt ihtiva eden oksidin milyonlarca küçük parçacıklarında bulunur. Bu kobalt içeren bileşikler, bir lityum iyon pilin ne kadar iyi performans göstereceğini belirler. Belirli bir kütle ve hacimde ne kadar lityumun depolanabileceğini belirleyerek hücrenin enerji yoğunluğunu etkiler.
Günümüzün lityum iyon pil pazarı, dünya çapında üretilen kobaltın %40’ından fazlasını kullanılmaktadır. Bununla birlikte, elektrikli bir araç 10 kg kobalt gerektirir ki bu akıllı bir telefonda kullanılan kobaltın 1000 kat daha fazlasıdır. Elektrikli araçların gittikçe daha yaygın biçimde benimsenmesi ve rüzgâr ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerjilerin artan kullanımı ile lityum iyon pilleri için gerekli olan kobalt miktarının önümüzdeki yıllarda dramatik bir şekilde artması beklenmektedir.
Dünyada kullanılan kobalt metalinin büyük çoğunluğu Zambiya ve Demokratik Kongo Cumhuriyeti’nde üretilmektedir. İki yıl önce, Uluslararası Af Örgütü, Demokratik Kongo Cumhuriyeti’ndeki kobalt madenlerinde çocuk işçi kullanımının farkındalığını artırmayı amaçlayan bir rapor yayınlamıştır. Tüm bu çabalara rağmen, endüstri uzmanları, şüpheli kaynaklı kobaltın tüketici uygulamalarına girdiğini kabul etmektedir.
Kobalt içeren bileşiklerin diğer geçiş metalleriyle değiştirilmesi kolay olsaydı, bu zaten ekonomik nedenlerden ötürü bugüne kadar yapılırdı. Oysaki kobalt, nikel (USD 15/kg), manganez (USD 2/kg) ve demir (cevher maliyeti USD 1/kg’dan daha düşük) gibi diğer geçiş metallerinin maliyetine kıyasla en pahalı olanıdır (USD 30/kg). Bununla birlikte, birçok yüksek güç gerektiren uygulamalarda kullanılan lityum-demir-fosfat pillerin yanı sıra, tüm ticari katot malzemeleri (yani piller içindeki pozitif terminal tarafı) kobalt içermektedir. Lityum iyon pillerden kobaltın giderilmesinin başlıca engeli, bir pil hücresinin binlerce şarj-deşarj döngüsü için çalışmasına izin veren bir başka bir malzemenin henüz bulunamamış olmasıdır.
Şarj ve deşarj sırasında, lityum atomları bir hücredeki aktif malzemeler arasında yer değiştirir ve bu sebeple malzemelerin büzülmesine ve genleşmesine sebep olur. Zamanla, atomların bu şekilde tekrarlanan mekanik düzenlenmesi, bu hücre malzemelerinde bozulmaya sebep olur. Lityum-kobalt-oksit (LKO), bu tip bozulmaya karşı en dirençli maddelerden biridir, çünkü kobalt ve oksijen atomları birbirine güçlü bir şekilde bağlanır ve lityum iyonlarının içeri ve dışarı sarkabileceği katmanlı bir yapı oluşturur.
Lityum-kobalt-oksiti tamamen lityum-nikel-oksit veya lityum-manganez oksit ile değiştirmek istersek tehlikeli veya kararsız denilebilecek hücreler oluşmaktadır. Ancak lityum-kobalt-oksitteki kobalt atomlarının bir kısmının nikel, manganez veya alüminyum atomlarıyla değiştirilebilir. Örneğin günümüzde pek çok cep telefonunda lityum-nikel-manganez-kobalt oksitler (NMK) kullanılmakta iken lityum-nikel-kobalt-alüminyum oksit (NKA) en çok Tesla araçlarında kullanılmaktadır.
“Metal yer-alan kobalt oksitler” olarak adlandırılan bu bileşikler, pil teknolojisinde güncel konular arasındadır. Lityum pillerde kullanılan kobalt miktarını 1/3 veya 1/5 oranında azaltmakta pil maliyeti düşürülmektedir. Ayrıca, kobalt yerine nikel kullanıldığında aktif maddenin enerji yoğunluğu kilogram başına 550 W/saatten 750 W/saate artırmaktadır.
Geri Dönüşüm
Lityum-iyon pil enerji depolama teknolojisini daha sürdürülebilir kılmayı düşündüğümüzde, geri dönüşüm mantıklı bir yol gibi görünmektedir. Amerika Birleşik Devletleri’nde kurşun-asitli pillerin % 99’u toplanmakta ve geri dönüştürülmektedir. Bununla birlikte, lityum iyon pillerin geri dönüşümü kurşun-asitli piller kadar basit değildir. Hücre tiplerinin çeşitliliği ve bazen bir hücrenin ambalajında belirtilmeyen bileşen malzemelerin farklılıkları nedeniyle, geri dönüşüme uygun lityum-iyon pillerin türleri sınırlıdır ve çoğunlukla elle ayırma işlemi gerekmektedir. Bazı tesisler pirometalurjik yöntemleri kullanmaktadır; öncelikle tesise ulaşan tüm lityum iyon hücreleri eritilmektedir. Bu eriyikten elde edilen kobalt, nikel ve bakır alaşımı, geri kazanılmaktadır.
Geri dönüşüm teknolojisindeki gelişmeler sayesinde ve her yıl çıkarılması gereken kobalt miktarında bir azalma beklenmektedir. Lityum iyon pillerin geri dönüştürülmesinin önemi konusunda giderek artan tüketici bilinci gözlemlenmektedir ve yasal düzenlemelerinin artması geri kazanılan metal miktarlarını artıracaktır. Dahası, dolaşımdaki büyük otomotiv hücrelerinin sayısı arttıkça geri dönüşüm daha standart hale gelecektir ve hücrelerin dönüşünün daha kolay kontrol edilebilmesi sayesinde bu iş daha ekonomik hale gelecektir.
Günümüzde dolaşımdaki yüksek miktarda kobalt içeren pil sayısı göz önüne alındığında, geri dönüşüm teknolojisi 2025 yılına kadar yılda bir milyar dolarlık bir ticari hacme ulaşabilir. Ancak, bu karlılık oranı hem pillerde büyük miktarda kobalt bulundurmaya, hem de kobalt ve nikel fiyatlarının yüksek kalmasına bağlı olacaktır.
Önümüzdeki on yıl içinde, kobalt üretiminde önemli bir artış görebiliriz. Bugün istifade edilen en zengin yataklar sadece yüzde bir gibi bir oranda kobalt içermektedir. Bununla birlikte, okyanus tabanında kobalt bakımından zengin 20 veya 30 kat fazla yataklar bulunmaktadır. Bu maden kaynaklarından yararlanma hakkı Birlemiş Milletler’in Uluslararası Deniz Tabloları Kurumu tarafından verilmekte ve 2025 yılı itibariyle 4 kilometre derinlikte kazı teknolojileri geliştirilmesi beklenmektedir.
Bu yeni maden kaynaklarının açılması endüstrinin kobalt kaynakları ve maliyeti ile ilgili endişelerini giderebilir, ancak aynı zamanda kobalt madenciliğinin çevresel etkileri hakkında yeni sorular ortaya çıkaracaktır. Ayrıca malzeme kimyası ve geri dönüşümün teknolojisinde yeniliklere ihtiyaç duyulacağı aşikârdır.
İzlenecek Yol
Lityum iyon pillerin geleceği hakkında bir konuşmaya başlamamız ve madencilik şirketleri, malzeme üreticileri, hücre üreticileri, ekipman üreticileri, otomotiv endüstrisi, araştırmacılar, hükümetler ve tüketiciler, günümüzün bu en yaygın enerji depolama teknolojisinin sürdürülebilirliğini geliştirmek için birlikte çalışmak zorundadır.
Kaynaklar:
- Ramesh Shunmugasundaram/postdoctoral researcher, ETH Zürich
- Marie Francine Lagadec/PhD candidate, ETH Zürich
- Nishan Degnarain/Member, National Ocean Taskforce, Government of Mauritius
- Vanessa Wood/Professor, ETH Zürich
Yazar
