pH’sı 7 olan ve doğrudan çevreye atılmaya uygun bir elektrolit kullanan sulu pil

Neden daha güvenli su bazlı piller önemli

Bugün çoğu şarj edilebilir pil yanıcı sıvılara veya aşındırıcı asit ve bazlara dayanıyor; bu da güvenlik ve çevre açısından endişe yaratıyor. Bu çalışma, içeriği içme suyuna veya tofu yapmakta kullanılan salamuraya benzer derecede hafif, neredeyse nötr bir çözeltide çalışan yeni bir su bazlı pil türünü inceliyor. Sıvı nazik olduğu ve katı bileşenler ağır metalleri içermediği için bu piller, uzun süre enerji depolamayı ve daha sonra çevreye zarar vermeden atılmayı amaçlıyor.

Günümüz sulu pillerindeki sorunlar

Su bazlı ya da “sulu” piller uzun süredir suyun yanmaması nedeniyle standart lityum-iyon hücrelere göre daha güvenli bir alternatif olarak görülüyor. Ancak mevcut tasarımların çoğu ya oldukça asidik ya da kuvvetle alkalin sıvular kullanıyor. Bu koşullar altında su, elektrot yüzeylerinde hidrojen ve oksijen gazına ayrışıyor. Bu enerji israfına, hücrenin yavaşça kurumasına ve elektrotlara zarar veren kabarcık birikimine yol açıyor. Bu tür piller atıldığında da korozif sıvıları toprakları ve su yollarını kirletebiliyor. Yazarlar, suyun avantajlarını koruyan ancak yan reaksiyonları azaltmak için yaklaşık 7 civarında, nötre yakın bir pH değerinde çalışan bir pil tasarlamayı hedefledi.

Yeni nazik bir sıvı ve uyumlu katı malzemeler

Araştırma ekibi, pilin içindeki sıvının temeli olarak MgCl₂ ve CaCl₂ gibi yaygın magnezyum ve kalsiyum tuzlarını seçti. Bu tuzlar, bol miktarda yük depolayıp iletebilen, buna karşın neredeyse nötr kalan ve gıda işlemede güvenle kullanılan yoğun çözeltiler oluşturuyor. Bu sıvılarla uyumlu olmak için araştırmacılar, negatif elektrot görevi görecek gözenekli organik katıların bir ailesini, yani kovalent organik polimerleri sentezledi. Bu polimerlerin yapı taşlarını birleştiren kimyasal bağı hafifçe değiştirerek malzemenin elektron kabul etme ve salma kolaylığını ve magnezyum ya da kalsiyum iyonlarını ne kadar güçlü çektiğini ayarlayabildiler. Hex-TADD-COP adını verdikleri bir versiyon, hızlı yük taşıma, iyi termal stabilite ve yüksek voltajlı pozitif elektrotla eşleştirmede istenen düşük işletim voltajını bir arada sağlamasıyla öne çıktı.

Yeni pilin yük depolama biçimi

Seçilen polimerde, tekrarlayan birimler magnezyum veya kalsiyum iyonlarını kısa süreliğine yakalayıp serbest bırakabilen şekilde düzenlenmiş nitrojen atomları içeriyor; bu sayede pil şarj olurken ve deşarj olurken iyon hareketi gerçekleşiyor. Bilgisayar modellemesi ve çeşitli spektroskopi yöntemlerinin kombinasyonu kullanılarak, araştırmacılar bu nitrojen bölgelerinin polimeri parçalamadan iki değerlikli iyonlarla tersine çevrilebilir koordinasyon kurduğunu gösterdi. Kritik olan nokta, neredeyse nötr sıvının çok az serbest proton içermesi; dolayısıyla hidrojen iyonları yük depolama sürecinde neredeyse rol oynamıyor. Daha asidik çözeltilerde yapılan deneyler, ekstra protonların istenmeyen reaksiyonları tetiklediğini, elektrot yüzeyinde yalıtkan birikimler oluşturduğunu ve cihazın ömrünü hızla kısalttığını ortaya koydu. Buna karşılık pH 7’de elektrot yaklaşık 120.000 hızlı şarj–deşarj döngüsünden sonra bile kapasitesinin yüzde 70’ten fazlasını koruyor; bu, bir sulu pil için olağanüstü uzun bir ömürdür.

Tam bir pil inşa etmek ve ömrünü test etmek

Tam olarak çalışan bir cihazı göstermek için ekip, yeni polimer negatif elektrodunu bakır ve demir içeren Prusya mavisi benzeri bir bileşikten yapılan pozitif elektrotla birleştirdi. Nötr magnezyum veya kalsiyum tuzlu çözeltilerde bu çift, su bazlı çok-değerli bir pil için yüksek sayılabilecek yaklaşık 2,2 volta kadar çalışma gerilimi üretti. Elektrotların ve sıvının toplam kütlesi dikkate alındığında hücreler yaklaşık 40–50 watt-saat/kilogram düzeyinde özgül enerjiler sağladı; bu, birçok diğer magnezyum veya kalsiyum sistemine denk ya da daha iyi. Aynı şekilde önemli olan, tam hücrelerin yüksek akımda 120.000 döngü boyunca kullanışlı kapasiteyi koruması ve daha kalın elektrotlu kese (pouch) prototiplerinin de binlerce döngü boyunca kararlı çalışması; bu durum pratik potansiyel için umut veriyor.

Daha temiz enerji depolama için ne anlama geliyor

Çalışma, nötr, gıda sınıfı tuz çözeltisi ve yıkıcı yan reaksiyonlardan kaçınacak şekilde tasarlanmış organik bir negatif elektrot kullanan uzun ömürlü bir şarj edilebilir pil oluşturmanın mümkün olduğunu gösteriyor. pH’ı 7 civarında tutarak ve magnezyum, kalsiyum, karbon, azot ve demir gibi bol bulunan, toksik olmayan elementlere dayanarak yazarlar, ilke olarak özel işlem gerektirmeden atılabilecek ve yine de sıkı çevresel standartları karşılayabilecek bir cihaz ortaya koyuyor. Enerji içeriğini daha da artırmak ve büyük ölçekli üretimi optimize etmek için daha fazla çalışma gerekse de bu yaklaşım, aşırı uzun ömür ve düşük çevresel etki gereken uygulamalar için daha güvenli, daha yeşil pillere doğru bir yol gösteriyor.

Atıf: Chen, H., Feng, S., Wang, Y. et al. An aqueous battery using an electrolyte with a pH of 7 and suitable for direct environmental discard. Nat Commun 17, 2895 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69384-2

Anahtar kelimeler: sulu piller, magnezyum iyon depolama, kalsiyum iyon pilleri, nötr elektrolitler, kovalent organik polimerler