Yıllardır kullandığımız Lityum-İyon pillerin standart anot malzemesi "Grafit"tir. Grafit, güvenilir ve kararlı bir yapıdır; lityum iyonlarını katmanları arasında misafir eder. Ancak teknolojinin açlığı büyüdü. Elektrikli araçların 1000 km menzile ulaşması ve telefonların günlerce şarj edilmeden çalışması için grafitin teorik enerji depolama kapasitesi artık yetersiz kalıyor. İşte bu noktada sahneye, grafitten yaklaşık 10 kat daha fazla enerji depolama potansiyeline sahip olan "Silikon" çıkıyor.
Kimyasal açıdan bakıldığında fark çok net bir matematiksel üstünlüğe dayanır.
Grafit: 6 karbon atomu, sadece 1 lityum atomunu tutabilir.
Silikon: 1 silikon atomu, 4 lityum atomuna bağlanabilir. Bu fark, teorik olarak silikonun gram başına 4200 mAh kapasite sunmasını sağlarken, grafit sadece 372 mAh seviyesinde kalır. Bu muazzam potansiyel, bataryaların boyutunu büyütmeden enerjisini katlamanın anahtarıdır.
"Eğer silikon bu kadar iyiyse neden hemen kullanmıyoruz?" sorusunun cevabı, silikonun doğasında gizlidir. Silikon, lityum iyonlarını emdiğinde (şarj olduğunda) fiziksel olarak şişer.
Sünger Etkisi: Şarj sırasında silikon parçacıkları hacimce %300 ila %400 oranında genişler. Grafit için bu oran sadece %10 civarındadır.
Pulverizasyon (Tozlaşma): Bu aşırı şişme ve büzülme döngüsü, silikon parçacıklarının çatlamasına, kırılmasına ve elektriksel bağlantısının kopmasına neden olur. Sonuç olarak pil, birkaç şarj döngüsünden sonra ölür.
Mühendisler ve malzeme bilimciler, silikonun bu "yaramaz" doğasını dizginlemek için nanoteknolojiyi kullanmaktadır.
Nano-Silikon: Parçacık boyutları nanometre seviyesine (milimetrenin milyonda biri) indirildiğinde, malzeme çatlamadan esneme kabiliyeti kazanır.
Silikon-Karbon Kompozitleri: Saf silikon yerine, silikon nanoparçacıkları grafit veya karbon nanotüplerin içine yerleştirilir. Karbon, silikonun genişlemesi için bir "kafes" görevi görür ve yapıyı bir arada tutar. Şu anda ticari olarak kullanılan (örneğin Tesla'nın bazı modellerinde) yöntem budur; anota %5-10 oranında silikon eklenerek kapasite artırılır.
Yumurta Sarısı-Kabuk (Yolk-Shell) Modeli: Silikon parçacığı (yumurta sarısı), kendisinden daha geniş bir karbon kabuğun içine hapsedilir. Silikon şiştiğinde bu boşluğun içinde genişler ve dış kabuğa zarar vermez.
Bataryanın içinde anot yüzeyinde SEI adı verilen koruyucu bir tabaka oluşur. Silikon sürekli şişip büzüldüğü için bu tabaka sürekli kırılır ve yeniden oluşur. Bu süreç lityumu tüketir ve pili kurutur. Yeni nesil elektrolit katkı maddeleri ve yapay SEI kaplamaları, bu sorunu çözmek için geliştirilmektedir.
Silikon anot teknolojisi artık sadece laboratuvarda değil, yollarda.
Otomotiv Devleri: Porsche ve Mercedes gibi markalar, yüksek performanslı modellerinde (örneğin EQG serisi) silikon yoğunluklu anotlar kullanacağını duyurdu.
Start-up Ekosistemi: Sila Nanotechnologies, Amprius ve Group14 gibi firmalar, %100 silikon anotlu pilleri ticarileştirme aşamasına getirdi. Amprius, özellikle havacılık ve İHA'lar için rekor enerji yoğunluğuna sahip piller üretiyor.
Silikon anotlar, batarya teknolojisinde "bir sonraki büyük şey" değil, "şu an gerçekleşen büyük şey"dir. Tamamen silikon anotlu piller yaygınlaştığında, elektrikli araçları şarj etmek benzin almak kadar nadir yapılan bir eyleme dönüşebilir. Malzeme bilimi, silikonun fiziksel sınırlarını nanoteknoloji ile aşarak enerji depolamada yeni bir çağ açmaktadır.
