Grafen Mucizesi
Grafen Nedir?
Grafen aslında kömür, elmas veya grafit (kurşun kalem ucu) gibi sadece karbon atomlarından oluşan bir maddedir. Tek fark atomlarının bağlanma şeklidir. Diğer maddelerde karbon atomları 3 boyutlu bir hacim oluşturacak şekilde bir araya gelirken; grafende karbon atomları 2 boyutlu bal peteği biçimli bir yapı oluşturacak şekilde bağlanıyor. Bunun sonucunda hafif, esnek, güçlü (çelikten 200 kat güçlü ve 6 kat hafif!!!), saydam, yüksek iletkenliğe sahip yeni bir malzeme elde etmiş oluyoruz.
Grafen’nin Keşfi
Grafen ile tanışmamız 2004 senesine uzanıyor. Manchester Üniversitesi’nde çalışmalarını yürüten Andre Geim ve Konstantin Novoselov grafeni ilk keşfeden bilim insanları olmuşlardır. Grafeni 21. yüzyılın en büyük buluşu olarak görenler de vardır, bu konuda global bir rekabet yaşanacağını düşünenler de… Zaten bu sebeple iki Rus bilim insanı 2010 senesinde Nobel Fizik ödülüne layık görülmüşlerdir.
Evrende rastladığımız malzemelerin neredeyse hepsi üç boyutludur. 3 boyutlu düzenden 2 boyutlu yapıya geçildiğinde malzeme özelliklerinin nasıl değişeceğine dair bilgimiz sınırlıdır. Bu sebeple grafen araştırmaları malzemelerin iki boyutlu düzene geçildiğinde ne kadar değişebileceğine dair ufkumuzu açmıştır. Grafenin tek katmanlı bir yapıda olduğunu biliyoruz ancak pratikte üst üste grafen katmanlarından oluşan çok katmanlı yapılar üretmek de mümkündür.
Grafen Üretim Teknikleri
Grafenin bilim insanları tarafından keşfi basit bir bant yardımı ile olmuş olsa da endüstriyel boyutlarda bir üretim için elbette daha farklı tekniklerin kullanılması gerekmektedir.
Fiziksel Yöntemler: Mikro-mekanik yöntemler ile grafitten ayırma, SiC ile termal bozulma, metal substrat üzerine C çöktürme -CVD
Kimyasal Yöntemler: Organik sentez, grafit oksit, grafene indirgeme
Tüm sentezleme tekniklerinin farklı özellikleri, avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Detaylarına bu karşılaştırma tablosu üzerinden bakabilirsiniz..
Bu mucize malzemenin farklı türleri de kullanılmaktadır. Üzerinde en çok çalışılan türlerden biri grafen oksittir. Oksidasyon işlemi sayesinde grafenin manyetik, kimyasal ve mekanik özellikleri değiştirilebilir. Ne şekilde ve nerede kullanılacağına göre oksidasyon derecesi ayarlanır. Örneğin oksidasyon miktarına göre yarı iletken veya yalıtkan malzeme özellikleri gösterebilir.
Grafen’nin Kullanım Alanları
Grafen üzerine araştırmalar devam etmekle birlikte bir çok alanda kullanım potansiyeli olduğunu söyleyebiliriz. İlk aklımıza gelenleri sıralamak gerekirse; super hızlı şarj olabilen bataryalar, biyonik cihazlar ve biyo-sensörler, su geçirmeyen kıyafetler, daha hafif ve sağlam hava taşıtları… Biz bu yazımızda grafen’nin batarya teknolojisindeki etkisine değineceğiz.
Günümüz batarya üreticileri genellikle Lityum ve Silikona odaklanmıştır. Ancak lityum’un 2 temel problemi vardır. (1) kötü bir iletkendir. (2) zamanla şarj edip deşarj oldukça fiziksel olarak deforme olur ve yapısında çatlaklar oluşur. Grafeni bir elektrod malzemesi olarak kullanmak bu sorunlara bir çözüm bulmamızı sağlayabilir.
Grafen’nin Avantajları
Klasik batarya elektrot (anot veya katot) malzemelerinin grafen ile birlikte kullanılması özelliklerini iyileştirmektedir. Kullanımı bataryaya esneklik, hafiflik, dayanıklılık, yüksek enerji depolama kapasitesi ve hızlı şarj süresi kazandırır.
Grafen İyi Bir İletkendir
Grafen elektronları silikona göre 100 kat hızlı iletir. Elektrik bu basit bal peteği yapı üzerinden çok hızlı akmaktadır. Bilinen birçok iletken metaldir, fakat grafen karbon temelli bir ametaldir. Bu sebeple, elektrik akımını metal kullanmadan iletmemiz gereken koşullarda kullanımı daha da önem kazanmaktadır. Li-iyon bataryaların anotuna grafen eklenmesi ile malzemenin iletkenliğinin arttırılması yoluna gidilmektedir.
Grafenin katot malzemeleri ile hibrid olarak kullanılmasının da batarya özelliklerini iyileştirdiği görülmüştür. Örneğin Li-iyon pillerde katot kimyasalı olarak kullanılan vanadium oksit (VO2) yüksek enerji kapasitesine rağmen kötü bir iletkendir. Bu malzemenin grafen ile desteklenerek kullanılması durumunda iletkenlik özelliği iyileşir.
Isıyı da İyi İletir
Grafen ısıyı elmasa göre 2 kat daha iyi iletir. Bazı bataryalarda batarya kimyasalı olarak değil yan destekleyici ürün olarak da kullanıdığını görüyoruz. Huawei 2016 senesinde grafen destekli bir Li-ion batarya tasarlamıştı. Burada grafen ısı iletimini iyileştirmek için kullanılmıştı. Bataryanın ortalama çalışma sıcaklığını 5 derece düşürerek yüksek sıcaklıklardaki çalışma performasının iyileşmesi sağlanmıştır.
Grafen Küçük Cihazlar için Uygundur
Çok küçük bir alanda elektrik iletimi sağlayabildiği için, mini süper hızlı bilgisayar ve transistör araştırmalarında oldukça önemlidir.Çünkü, bu cihazlar çalışmak için çok küçük miktarda güce ihtiyaç duymalıdırlar.
Yüksek Performans
Nanotech 2014 yılında ABD’de kurulmuş olan bir girişim ve grafen temelli bataryalar üretmektedir. Ürettikleri grafen temelli bataryalar ile bu sene Las Vegan’da düzenlenen CES-2022 fuarında Sürdürülebilirlik ve Akıllı enerji çözümleri alanında inovasyon ödülü kazanmışler. (Geçmiş senelerdeki CES yazılarıma da göz atın: CES 2020-Mobilite Devrimi , CES 2019 – 11 İnovatif Ürün) Geliştirdikleri bataryanın klasik Li-iyon bataryalara göre daha iyi performans sergilediğini görüyoruz. Paylaşılan değerlere göre geliştirdikleri bu bataryanın verimli kullanım ömrü yaklaşık 10 sene (Li-iyonda 3-4 yıl). Aynı zamanda Li-iyon bataryaların performans kaybı yaşadıkları çalışma sıcaklarında (-40/+60 oC) yüksek performans vermeye devam edebiliyor. Bu açıdan bakınca zamanımızın popüler ürünü olan elektrikli araçlarda kullanılmaya da uygundur.
Sürdürülebilir
Klasik Li-iyon bataryaların yüksek oranda sürdürülebilir olduklarını söyleyemeyiz. Zira içerdikleri bazı kıymetli metallarin (nikel, kobalt, manganez, lityum gibi) geri dönüştürülmeleri için henüz yeterince verimli metotlar geliştirilmemiştir. Bataryalarda grafen kullanılması bu hammaddelere olan ihtiyacı azaltacaktır. Bu durum Li-iyon bataryaların sürdürülebilirliğini arttırır. Karbonun doğada ağırlık olarak en fazla bulunan 4. element olduğunu da not düşmekte fayda var. Ayrıca bir bataryanın kullanım ömrünü de uzattığından bu yönüyle de sürdürülebilirliğe olumlu etki yapar.
Güvenli
Yapılan testlerde Li-iyon bataryaların kolaylıkla alev aldıkları durumlarda grafenin duman çıkarttığı ama tutuşup alev almadığı görülmüş. Termal kararlılığının daha iyi olduğunu söyleyebiliriz.
Grafen’nin Dezavantajları
Tüm bu iyi özellikleri okuduktan sonra akla tek bir soru geliyor; “Eee daha ne bekliyoruz o zaman? kullanılım şu grafeni!”. Ama her güzelin bir (ya da birden çok) kusuru vardır demişler.
Üretimi Zordur
İlk keşfedilmesi basit bir bant yardımı ile olmuş olsa da (grafit eksfoliyasyonu) hatasız ve büyük bir grafen katmanı oluşturmak zahmetli bir süreçtir. Deneysel boyutlarda elde edilmesi kolay olsa da büyük miktarlarda seri olarak üretilmesi zor ve pahalıdır. Grafen levhalarının boyut ve kalınlarının her defasında aynı olacak şekilde üretilmesi konusunda da zorluklar yaşanmaktadır. Özetle hem kaliteli ve çevre dostu, hem de hızlı ve ucuz bir üretim metodu geliştirilememiş olması bu malzemenin önündeki en büyük engellerden biridir.
Günümüzde 1gr’ı yaklaşık 100$’dır. Tüm iyi özelliklerine rağmen ticarileşebilmesi için daha ucuz ve kolay üretim metotları geliştirilebilmelidir.
Yarı iletken özelliği yoktur
Grafen yarı iletken bir malzeme değildir. Dolayısı ile elektriği iyi iletir ama hep iletir, durdurulamaz 😊 Elektroniklerde çok sıklıkla kullanılan ve yarı iletken olan silikonun yerini alabilmesi için bu eksikliğe bir çözüm bulunmalıdır.
Toksik maddeler içerebilir
Grafen üretimi için ısıtılan grafit bazı toksik kimyasallar içerir. Bunlar üretilen grafen levhalarında da kalabilmektedir. Buna verimli bir çözüm bulmadan kullanımının yaygınlaşması biraz zor görünüyor.
Referanslar
Yusuf Cem Durakcan, “Grafen Nedir, Neden Önemlidir?”, Bilim Fili, https://bilimfili.com/mucize-malzeme-grafen-nedir-neden-onemlidir , 2015.
Angela Chen, “Why graphene hasn’t taken over the world… yet?”, The Verge, https://www.theverge.com/2018/7/10/17548362/graphene-material-breakthrough-science-technology-hype , 2018.
Graphene Info, “Graphene batteries: Introduction and Market News”, Graphene Info, https://www.graphene-info.com/graphene-batteries , 2021.
Roni Peleg, “Nanotech Energy named CES 2022 Innovation Award Winner in Sustainability, Eco-Design & Smart Energy Category”, Graphene Info, https://www.graphene-info.com/nanotech-energy-named-ces-2022-innovation-award-winner-sustainability-eco-design , 2022.
Bisvas, “Top 5 drawbacks of graphene | how to overcome it?”, Zedore, https://zedore.com/top-5-drawbacks-of-graphene-how-to-overcome-it/ , 2021.
Nanografi, “Grafen”, https://www.nanografi.com.tr/grafen/, 2022.
