Doç. Dr. Billur Deniz Karahan
İstanbul Teknik Üniversitesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Öğretim Üyesi
ELEKTRİKLİ ARAÇLARIN GELECEĞİ SADECE ENERJİYLE DEĞİL, MALZEMENİN BİLİMİYLE ŞEKİLLENİYOR
İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ KİMYA-METALURJİ FAKÜLTESİ, METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ÖĞRETİM ÜYESİ DOÇ. DR. BİLLUR DENİZ KARAHAN, BATARYA TEKNOLOJİLERİNDE MALZEME BİLİMİNİN ROLÜNÜ, ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA SÜRDÜRÜLEBİLİRLİĞİ VE AVRUPA BİRLİĞİ’NİN YEŞİL DÖNÜŞÜM POLİTİKALARININ SEKTÖRE ETKİLERİNİ ANLATTI.
Bir Metalurji ve Malzeme Mühendisi olarak mühendisliğin temelinin malzeme biliminde yattığına inanıyorum. Müşterinin değişen mevsimsel koşullardan ve hava sıcaklıklarından bağımsız olarak elektrikli araçları daha uzun kilometreler sürmek istemesi, hem araç gövdesinde düşük yoğunluklu malzeme seçiminde hem de batarya tasarımında sıcaklıktan minimum etkilenecek, yüksek enerji yoğunluğu sağlayacak sistemlerin geliştirilmesini zorunlu kılıyor.
Bu durum, yapılacak Ar-Ge çalışmalarının önemini daha da artırıyor. Yüksek kapasiteli anot ve katot aktif malzemelerin, bunların bir arada çalışmasına imkân verecek elektrolitlerin, hücrenin güvenli çalışmasını sağlayacak membranların ve uygun hücre mimarilerinin tasarımı bu sürecin ana eksenini oluşturuyor.
Anot aktif malzeme çalışmaları incelendiğinde, bu malzemelerin lityum ile girdikleri reaksiyon mekanizmalarına göre üç gruba ayrıldığı görülüyor: interkalasyon, alaşım ve dönüşüm reaksiyonları. Bugün, grafitin sektördeki baskın konumunu sarsmak amacıyla alternatif kimyaların ticarileşmesi üzerine araştırmalar hız kazanmış durumda. Silisyum ve silisyum içeren kompozitler yüksek kapasiteleriyle öne çıkarken, sentetik grafit tedarik zincirinde dışa bağımlılığı azaltma avantajı sunuyor. Lityum titanat ise uzun ömür ve güvenli kullanım gerektiren uygulamalarda tercih ediliyor. Buna alternatif olarak kalay ve alaşımları, geçiş metal oksitleri ve katmanlı geçiş metali içeren malzemeler de anot aktif malzemesi olarak araştırılıyor. Var olan durumda sadece malzeme seçimi değil, aynı zamanda ara yüzey kaplamaları ve nano-mühendislik yöntemleriyle performans geliştirme üzerine de yoğun çalışmalar yürütülüyor.
Son dönemde “all solid-state battery” olarak adlandırılan tam katı hal batarya teknolojileri, geleneksel sıvı elektrolitli lityum-iyon bataryalara kıyasla daha yüksek enerji yoğunluğu, daha fazla güvenlik, hızlı şarj olabilme kabiliyeti ve uzun ömür gibi üstün özellikleriyle öne çıkıyor. Bu nedenle hem tüketici hem de üretici açısından büyük ilgi görüyor. Ayrıca, bu bataryalar için “anotsuz” tasarımlar üzerine yapılan çalışmalar da dikkat çekiyor.
KATOT MALZEMELERDE VERİM, GÜVENLİK VE SÜRDÜRÜLEBİLİRLİK DENGESİ
Katot aktif malzemeler, batarya teknolojisinin enerji yoğunluğu, güvenliği, maliyeti ve sürdürülebilirliği açısından kritik öneme sahip. Bu malzemeler, lityum atomlarının yapılarında sergilediği harekete göre üç farklı gruba ayrılıyor: Bir boyutlu (olivin), iki boyutlu (katmanlı) ve üç boyutlu (spinel) yapılar.
LiFePO₄ (olivin) yapılı malzemeler daha güvenli, düşük maliyetli ve uzun ömürlü olmalarına rağmen, enerji yoğunluklarının düşük olması kullanım alanlarını sınırlıyor. LiCoO₂ (katmanlı) malzemeler ise cep telefonu ve dizüstü bilgisayarlarda yaygın olarak kullanılsa da yüksek maliyetleri ve kobalt içerikleri nedeniyle yerini Li(NixMnyCoz)O₂ kimyasına bırakıyor. LiMn₂O₄ (spinel) yapılar ise sınırlı kapasitelerine rağmen yüksek çalışma voltajına çıkabilmeleri ve hızlı şarj uyumları nedeniyle ön plana çıkıyor. Kobaltın yüksek maliyeti ve kararsız finansal durumu, araştırmaları kobalt oranı azaltılmış kimyalara yöneltiyor. Bu kapsamda nikel miktarını artırarak enerji yoğunluğunu yükseltmek ya da mangan oranını artırarak maliyet optimizasyonu yapmak için çeşitli yaklaşımlar geliştiriliyor. Ayrıca, lityumca zengin malzemeler, organik yapılı katot aktif malzemeler ve metal halojenürler üzerine araştırmalar da sürüyor. Malzeme kimyasına ek olarak yüzey modifikasyonlarıyla yüzey kararlılığını ve iletkenliği artırma yönünde de çalışmalar devam ediyor.
Lityum iyon bataryaların yaygınlaşması için hücre maliyetlerinin düşmesi ve güvenli, erişilebilir fiyatlı araçların yaygınlaşması gerekiyor. Bunun yolu ise sürdürülebilir batarya sistemleri oluşturmaktan geçiyor. Bu kapsamda, ömrünü tamamlamış bataryaların ve üretim hurdası elektrotların geri dönüştürülmesiyle geri kazanım ve yeniden üretim süreçleri büyük önem taşıyor. Böylece hem çevresel etki azaltılıyor hem de tedarik zinciri güvenliği sağlanıyor.
KÜRESEL ISINMA, ENERJİ TALEBİ VE PARİS ANLAŞMASI
Literatürde yer alan veriler, 1990’dan 2050’ye kadar geçen sürede enerji talebinin nüfus artışı ve teknolojinin yaygınlaşmasıyla sürekli artacağını gösteriyor. Bu da doğal olarak küresel CO₂ salınımını artırıyor. Paris Anlaşması, “yaşanabilir bir dünya” hedefiyle sera gazı emisyonlarını azaltarak sıcaklık artışını sanayi öncesi döneme göre 1,5–2 °C ile sınırlamayı amaçlıyor. Avrupa Birliği, bu doğrultuda 2050 yılına kadar karbon nötr olma hedefi belirleyerek ulaşım, mobilite, tarım ve sanayi gibi birçok alanı kapsayan yeşil dönüşüm hareketini başlattı. Avrupa’nın bu karbon nötr hedefi, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını hızlandırırken, temiz enerjinin talep edildiği yer ve zamanda kullanılmasını sağlayan lityum iyon batarya teknolojilerinin önemini artırıyor. Böylece ulaşımın elektrifikasyonu, temiz enerji depolama ve sürdürülebilir sistemler hedefleniyor.
BATARYA ÜRETİMİNDE MADENCİLİK VE ÇEVRESEL ETKİLER
Ancak bu hedeflere ulaşmak için çözülmesi gereken temel sorunlar da var. Batarya hücrelerinin hammaddeleri olan metal tuzları madencilik yoluyla elde ediliyor. Bu durum, batarya üretim ve tedarik zinciri açısından stratejik hamleleri zorunlu kılıyor. Lityum, nikel, kobalt, mangan, fosfor, grafit ve demir gibi hammaddelerin dünya üzerindeki dağılımının sınırlı olması bazı ülkeler için avantaj sağlıyor. Fakat bu metallerin başka endüstrilerde de kullanılıyor olması, mevcut batarya kimyalarının sürdürülebilirliğini tehdit ediyor. Ayrıca metal üretim süreçlerinin yüksek enerji ve su tüketimi, oluşan atıklar nedeniyle çevresel olumsuzluklara neden oluyor. Araştırmalar, batarya üretiminde kullanılan yönteme, üretim yapılan coğrafyaya ve enerji kaynağına bağlı olarak sera gazı emisyon miktarlarının büyük değişkenlik gösterdiğini ortaya koyuyor. Bu nedenle çevreyle uyumlu, sürdürülebilir batarya sistemlerinin oluşturulması hem madenlerin sınırlı kullanımını hem de coğrafi bağımlılıklardan uzak bir pazar yapısının oluşmasını destekliyor.
AB BATARYA YÖNETMELİĞİ VE GERİ DÖNÜŞTÜRÜLMÜŞ HAMMADDE ZORUNLULUĞU
Avrupa Birliği, bu dönüşümü desteklemek amacıyla 2023’te yayımladığı EU Batteries Regulation 1542 sayılı yönetmelikle, kobalt, kurşun, lityum ve nikel gibi hammaddelerin geri dönüşüm oranlarının artırılması gerektiğini vurguladı. Yönetmeliğin 30. maddesine göre, 2031’den itibaren batarya üretiminde bu metaller için zorunlu geri dönüştürülmüş malzeme kullanımına başlanacak. 2034 yılı itibarıyla bu hedeflerin daha da artırılması planlanıyor. Amaç, Avrupa Birliği’nin hammadde bağımlılığını azaltmak, batarya üretiminin karbon ayak izini düşürmek ve kaynakları korumak. Bu dönüşümü izlenebilir hale getirmek için de “batarya pasaportu” sistemi devreye giriyor. Bu sayede her bataryanın karbon ayak izi takip edilebilecek ve çevresel etki şeffaf biçimde izlenecek. Bu düzenlemeler, bilimsel anlamda büyük potansiyele sahip olan ülkeler için batarya pazarında ilerleme fırsatları doğuruyor.
GERİ KAZANIMDA YENİ YAKLAŞIMLAR: SOLVOMETALURJİ
Bugün dünyada ve Türkiye’de, pirometalurjik ve hidrometalurjik yöntemlerle yaşam ömrünü tamamlamış bataryaların geri dönüşümü üzerine yoğun çalışmalar yürütülüyor. Son dönemde solvometalurji de dikkat çeken yeni bir yaklaşım olarak öne çıkıyor. Bizim araştırma grubumuzun da dahil olduğu çalışmalar, daha az atık üreten, daha az enerji tüketen ve çevreye saygılı prosesler tasarlamayı amaçlıyor. Bu sayede atıklardan nikel, kobalt, lityum, fosfat ve mangan gibi metallerin geri kazanımı ve yeniden elektrot aktif madde üretiminde kullanımı sağlanıyor. Elde edilen sonuçlar son derece umut verici.
İstanbul Teknik Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü bünyesinde yer alan Enerji Depolama Teknolojileri Malzeme Ar-Ge Laboratuvarı’nda, sürdürülebilir batarya sistemlerinin geliştirilmesine yönelik çalışmalar yürütülüyor. Bu kapsamda anot ve katot aktif madde kimyası, batarya geri dönüşümü, elektrot üretim hurdalarından geri kazanım, endüstriyel atıklardan değerli malzeme eldesi ve bu malzemelerin elektrot aktif madde olarak yeniden kullanımı üzerine projeler yürütülüyor. Ayrıca ara yüzey mühendisliği ve hesaplamalı malzeme bilimi alanlarında hem ulusal hem uluslararası fon destekli projelerle ilerleniyor. Son dönemde, makine öğrenmesiyle proses optimizasyonu ve yapay zekâ destekli enerji depolama uygulamalarında yeni malzeme kimyalarının oluşturulması ve karakterize edilmesi üzerine çalışmalar genişletildi. Elde edilen bilgi birikimi ve deneyim, Türkiye’nin gelişmekte olan batarya ekosisteminde güçlü bir konum elde etmesine katkı sağlıyor.
SÜRDÜRÜLEBİLİR GELECEK İÇİN BİLİM ODAKLI DÖNÜŞÜM
Ülkemizin gelişmekte olan batarya ekosisteminde güçlü ve stratejik bir konum edinmesi için çalışmalarımıza kararlılıkla devam ediyoruz. Elektrikli araçlardan enerji depolamaya kadar uzanan bu dönüşüm süreci, yalnızca yeni teknolojiler değil; aynı zamanda daha yeşil, daha döngüsel ve daha yaşanabilir bir dünyanın kapılarını aralıyor.