Mantardan Yapılan Çevre-Dostu Pil Kutbu

Mantardan Yapılan Çevre-Dostu Pil Kutbu

Başta, hücrelerin hasar görmüş DNA’larını nasıl onardığı ve genetik bilgiyi nasıl koruduğuna ilişkin çalışmasından dolayı Prof. Dr. Aziz Sancar’ın lâyık görüldüğü 2015 Nobel Kimya ödülünün haberi; ardından Amerikan Fizik Derneği’nin en büyük onurlarından biri olan ödülün, nötron ve karadelikler konusundaki çığır açıcı çalışmalarından dolayı, NASA’daki başarılı Türk astrofizikçi Prof. Dr. Feryal Özel’e verildiği haberi; öte yandan, 1998 Bilkent Üniversitesi Fizik mezunu ve şu anda Cambridge Üniversitesi’nde öğretim üyesi olan Doç. Dr. Mete Atatüre’nin bugüne kadar imkânsız kabul edilen ışık seviyesinin gürültü ölçümünü başarıyla gerçekleştirdiği haberi derken, bir gurur verici haber de University of California’dan geldi:

Biri makina, diğeri elektrik mühendisliği profesörü olan Türk çiftin yönettiği ekibin yaptığı çalışma, çevreye zarar vermeyen, uzun ömürlü pillerin yapımında yeni bir seçenek yaratacak nitelikte.

Lityum iyonlu pillerde anod (pozitif kutup) malzemesi olarak onlarca yıldır karbon incelenmekte. Günümüzün şarj edilebilir Lityum iyonlu pillerinde kullanılan endüstri standardı da sentetik grafite dayanıyor. Beyaz grafitin, ticarî açıdan çekici bazı teknik özelliklerinin yanı sıra ciddî dezavantajları da var: Birim karbon ağırlığı başına düşen lityum depolama kapasitesi oldukça düşük, üretimi ise epey pahalıya mâloluyor. Üstelik üretiminde  bol miktarda hidroflorik ve sülfrik asit kullanımı gerektiğinden, çevreye ciddî ölçüde zarar veriyor.

Lityum iyonlu pil anodu imalâtında grafitik karbonlara alternatif olarak sert veya yumuşak karbonları da kullanmak mümkün. Bunlar çeşitli şekillerde üretilebiliyor. Sert karbon sentezinde kullanılan geleneksel yöntem sakaroz’un, yani doğal organik şekerin piroliz’ine (ısıl bozunum) dayanıyor. Grafitik karbonlara oranla daha yüksek özgül kapasite sağlayan bu işlemin yarattığı bazı olumsuz teknik özelliklerin giderilmesi ve yeni karbon formlarının lityum iyonlu pil anodu imalâtında ticarî kullanıma elverişli hale gelebilmesi için, doğal kaynaklardan karbon öncülleri elde etme seçeneklerini araştırmak gerekiyor.

Aktive edilmiş karbonlar, bu üretim dalı için ciddî anlamda gelecek vaad ediyor. Aktive edilmiş karbon üretimi, genelde karbonu yüksek konsantrasyonlu bir KOH çözeltisine maruz bırakma yöntemine dayanıyor. Bu işlem, bir de ısıl aktivasyon yapıldıktan sonra, mezo ve mikro ölçekli gözenekler yaratarak karbonun lityum depolama kapasitesini arttırıyor. Aktive edilecek karbonun kaynağı olarak biyo-kütleye başvurmak çok makûl bir yaklaşım, çünkü biyo-kütlelerde bol miktarda bulunan karbonu gayet ucuza, üstelik de çevreye zarar vermeden elde etmek mümkün. Mesela 2007’de yapılan bir yayında aktive edilmiş karbon kaynağı olarak kahve çekirdeği kabuğunun verimliliği incelenmiş.

University of California’dan makina mühendisi Dr. Cengiz Özkan ve elektrik mühendisi Dr. Mihrimah Özkan’ın yönettiği araştırma grubunun 29. Eylül. 2015’te Nature Scientific Reports’ta yayınlanan makalesinde ise, Portobello mantarının (bilimsel adı A. biosporus) şapka zarı dokusunun aynı amaçla kullanılması seçeneği değerlendiriliyor. Yayında dokunun oksijensiz karbonizasyon işleminden sonra çekici mikro-yapı özellikleri kazandığı bildiriliyor.

Portobello mantarının şapka zarı dokusu, pirolize edildiği zaman son derece ince-uzun karbon nano-şeritleri oluşturmuş. Malzemenin karbonizasyon sonrasında son derece yüksek yoğunlukta tuz, özellikle de KCl  (potasyum klorür) içerdiği görülmüş.

Araştırmacılar; bağlayıcı madde, iletken madde gibi katkılara gerek kalmadan pil elektrodu yapımında  kullanılabilecek böylesi biyolojik kökenli yapıların gerçek performansını ölçmek için farklı piroliz sıcaklıkları denemişler. Portobello mantarının şapka zarından elde edilen malzemenin, 900°nin üstündeki sıcaklıklarda pirolize edildikten sonra, çok farklı büyüklük mertebelerinde (1 nano-metrenin altından başlayıp olarca nano-metreye uzanan) gözenekli bir yapı, yani bilimsel adıyla “hiyerarşik porozite” özelliği kazandığını görmüşler (Şekil 1).  Gözenek ebatlarının çeşitliliği, gerilme-sıkışma durumlarında şeritin yapısal bütünlüğünü korumasını sağlıyor. Böylesi gerilme-sıkışmalar, lityum iyonları pilin artı kutbuna girip çıkarken yaşanıyor.

Özkan çiftinin yönetimindeki ekip, bozuk para şeklinde küçük bir pil üretip bunu 700 döngü boyunca (yaklaşık 7 yıllık kullanıma eşdeğer) denemiş. Pilin özgün dejarj kapasitesi (yani kullanılabilir elektrik yükü) 260 mA-saat/gr olarak bulunmuş. Bu değer, grafitin 300 ilâ 350 mA-saat/gr’lık kapasitesinden düşük olsa da, bu daha başlangıç. Üstelik Mihrimah Özkan’ın belirttiğine göre, pil kullanıldıkça malzeme gerilip sıkışıyor ve bu da başlangıçta kapalı olan bazı gözeneklerin açılmasına yol açıyor. Sonuç olarak, malzemenin kapasitesi kullanıldıkça artıyor. Mesela, yapılan 700 döngülük test bittiğinde, pilin Coulomb verimi başlangıca oranla % 25 daha yüksekmiş.

Portobello mantarının şapka zarı dokusundan elde edilen malzeme, özgün karakteri, özellikle de yüksek potasyum yoğunluğu sayesinde, “kendi kendini aktive“ edebilir. Ancak bunun gerçekleşebilmesi için, sentez prosesinin optimize edilmesi ve  mikro-gözeneklerin oluşturduğu kanalların açığa çıkarılarak yüzey alanının arttırılması gerekiyor. Bu gelişmeler tamamlandığı taktirde, yüksek enerji yoğunluğuna sahip, çevre dostu pillere kavuşmanın yolu artık mantar toplamaktan geçecek.