Elektrikli araçlarda güncel batarya teknolojileri

Yayınlanma Tarihi: 2024-03-05 13:43:41

Elektrikli Araçlarda Güncel Batarya Teknolojileri

Günümüzde çevresel endişeler arttıkça ve fosil yakıtların sınırları ortaya çıktıkça, elektrikli araçlar taşımacılık endüstrisinde önemli bir değişimi temsil etmektedir. Bu araçlar, geleneksel içten yanmalı motorlardan farklı olarak elektrik motorlarıyla çalışırlar ve bu motorların beslenmesini sağlayan güç kaynağı olarak piller kullanılır.

Elektrikli araçlarda kullanılan piller, aracın menzilini, performansını ve verimliliğini belirleyen kritik bir bileşendir. Bu piller, aracın enerji depolamasını ve taşımasını sağlar ve sürücülere güvenli ve güvenilir bir sürüş deneyimi sunar. Ayrıca, çevre dostu olmaları nedeniyle, fosil yakıtlara dayalı araçlara kıyasla daha düşük karbon ayak izi sağlarlar.

Elektrikli araçlarda kullanılan piller çeşitli yapısal ve kimyasal özelliklere sahip olabilirler. Bunlar arasında lityum iyon piller, nikel metal hidrit piller, lityum polimer piller ve diğerleri bulunur. Her bir pil türü, enerji yoğunluğu, güvenlik, ömür ve maliyet gibi faktörler açısından farklı avantajlara ve dezavantajlara sahiptir.

En Önemli Pil Çeşitleri

  1. Lityum İyon (Li-Ion) Piller
  2. Katı Hal Piller
  3. Sodyum İyon Piller
  4. Lityum-Sülfür Piller

Bu pil teknolojileri arasında en yaygın kullanım Li-Ion bataryalarda olduğu ve diğer teknolojileri gelişme aşamasında olduğu için Li-Ion pillere daha geniş yer vereceğiz.

batarya çeşitleri

(Kaynak: https://dergipark.org.tr/en/download/article-file/1700591)

 

Elektrikli Araçlarda kullanılan teknolojilerin yaygınlığı

Yeni teknolojilerin gelişmesi ile bu oran zamanla değişecektir. Ancak 2023 yılı verilerine göre teknolojiler arasındaki yaygınlık yaklaşık şu şekilde olduğu tahmin edilmektedir. Görüldüğü üzere güncel elektrikli araç bataryaların %95’i Li-Ion teknolojilerine dayanmaktadır.

  • Lityum Nikel Manganez Kobalt Oksit (NMC): %60
  • Lityum Demir Fosfat (LFP): %25.
  • Lityum Kobalt Oksit (LCO): %10
  • Diğer: %5

ragone çizimi

(Kaynak: https://dergipark.org.tr/en/download/article-file/1700591)

 

Lityum İyon (Li-ion) Bataryalar

Günümüzde en yaygın olarak kullanılan batarya teknolojisi olan lityum iyon bataryaladır. Lityum iyon (Li-ion) piller, enerji depolamak için lityum iyonlarının tersine çevrilebilir indirgemesini kullanan şarj edilebilir pillerdir. Bu piller, elektrikli araçlarda, taşınabilir elektronik cihazlarda ve diğer birçok uygulamada kullanılmaktadır. Lityum iyon piller, düşük maliyetli, yeniden doldurulabilir, hafif ve hızlı şarj edilebilme özelliklerine sahiptir. Ayrıca, diğer batarya türlerine kıyasla daha yüksek enerji yoğunluğuna ve daha az kendiliğinden deşarj olma özelliğine sahiptir. Bununla birlikte, üretim süreçlerinin çevresel etkisi ve kullanım sonrası geri dönüşüm gerekliliği gibi konularda da dikkate alınması gereken özelliklere sahiptir. Lityum iyon piller, elektrikli araçlarda yüksek enerji yoğunluğu, hızlı şarj/deşarj özelliği ve uzun ömürleriyle öne çıkar. Ayrıca, solid state bataryalar gibi yeni teknolojilerin geliştirilmesiyle, lityum iyon bataryaların performansı ve güvenliği artırılmaya çalışılmaktadır.

Çalışma Prensibi: 

Lityum iyon bataryalar, lityum iyonlarının bir katot malzemesi üzerinde toplanması ve negatif elektrotta depolanması prensibine dayanır. Bu bataryalar, genellikle bir katot (pozitif elektrot), bir anot (negatif elektrot) ve elektrolit içeren bir elektrotten oluşur. Elektrolit, iyonların hareketine izin verir ve elektrotlar arasında iyon iletimini sağlar.

  • En yaygın kullanılan batarya teknolojisidir.
  • Yüksek enerji yoğunluğu ve uzun ömürlüdür.
  • Farklı kimyasal bileşikler kullanılarak üretilebilir.

En Yaygın Lityum İyon (Li-ion) Çeşitleri:

İçinde kullanılan kimyasallara (batarya kimyası) göre Lityum İyon batarya çeşitleri aşağıdaki gibidir.

1. Nikel Kobalt Alüminyum Oksit (NCA) Bataryalar: NCA bataryaları, genellikle elektrikli araçlarda kullanılan bir tür lityum iyon bataryadır. Kobalt içeriği nedeniyle yüksek enerji yoğunluğuna sahiptirler ve uzun menzil sağlayabilirler. Ancak, kobalt madenciliği ve işlenmesi sırasında ortaya çıkan çevresel etkiler nedeniyle sürdürülebilirlik endişeleri bulunmaktadır.

2. Nikel Manganez Kobalt (NMC) Bataryalar: NMC bataryaları, nikel, manganez ve kobalt içeren bir katot malzemesi kullanır. Bu bataryalar, yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir ve genellikle elektrikli araçlarda ve taşınabilir elektronik cihazlarda kullanılırlar. NMC bataryaları, nikel oranının artırılmasıyla enerji yoğunluğunu artırabilir ve kobalt kullanımını azaltarak sürdürülebilirlik açısından avantaj sağlayabilir.

3. Demir Fosfat (LFP) Bataryalar: LFP bataryaları, lityum demir fosfat kullanır ve genellikle güvenlik ve dayanıklılık için tercih edilir. Bu bataryalar, yüksek deşarj güvenliği ve termal kararlılık sağlarlar, bu nedenle elektrikli araçlarda ve enerji depolama sistemlerinde kullanılmaktadırlar. LFP bataryaları, kobalt ve nikel içermemeleri nedeniyle daha çevre dostudur ancak enerji yoğunluğu diğer lityum iyon batarya türlerine göre daha düşüktür.

4. Lityum Titanat (LTO) Bataryalar: LTO bataryaları, lityum titanat anot malzemesi kullanır ve genellikle hızlı şarj/deşarj özellikleri için tercih edilirler. Bu bataryalar, düşük deşarj oranları ve uzun ömürleriyle bilinirler ve endüstriyel uygulamalarda, hibrit araçlarda ve enerji depolama sistemlerinde kullanılmaktadırlar.

5. Lityum Polimer (LiPo) Bataryalar: Lityum polimer bataryalar, lityum iyon bataryalara benzer özelliklere sahiptir ancak daha esnek bir yapıya sahiptirler. Bu bataryalar, daha ince ve daha hafif tasarımlara olanak tanır.

6. Lityum Kobalt Oksit (LCO): Yüksek enerji yoğunluğu, ancak pahalı ve düşük termal stabilite.

Avantajları: 

Yüksek Enerji Yoğunluğu: Lityum iyon bataryalar, diğer batarya teknolojilerine kıyasla daha yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir. Bu, daha küçük boyutlarda ve daha hafif bataryaların üretilmesine olanak tanır. 

Düşük Kendi Deşarj Oranı: Lityum iyon bataryalar, diğer batarya tiplerine göre daha düşük bir kendiliğinden deşarj oranına sahiptir. Bu, bataryanın kullanılmadığı durumlarda enerji kaybını azaltır.

Hızlı Şarj ve Deşarj: Lityum iyon bataryalar, hızlı şarj ve deşarj sürelerine sahiptir. Bu, kullanıcıların daha kısa sürede bataryalarını doldurup kullanmalarını sağlar.

Uzun Ömür: Doğru kullanıldığında ve düzgün bir şekilde bakıldığında lityum iyon bataryalar uzun bir ömre sahip olabilirler.

Dezavantajları:

Güvenlik Endişeleri: Lityum iyon bataryaların aşırı ısınması veya hasar görmesi durumunda yangın veya patlama riski vardır. Bu nedenle, bataryaların güvenli bir şekilde kullanılması ve depolanması önemlidir.

Yüksek Maliyet: Lityum iyon bataryalar, üretim süreçlerinin karmaşıklığı nedeniyle diğer batarya tiplerine göre daha yüksek maliyetlidir.

Sınırlı Çevresel Etki: Lityum iyon bataryaların üretimi, özellikle lityumun madencilik ve işlenmesi sırasında çevresel etkilere sahiptir. Bu nedenle, sürdürülebilirlik açısından bazı endişeler vardır.

Geliştirme Aşamasında Olan Teknolojiler

Katı Hal (Solid State) Bataryalar: Katı hal bataryalar, geleneksel sıvı elektrolit yerine katı bir elektrolit kullanır.  Bu teknoloji, daha yüksek enerji yoğunluğu, daha hızlı şarj/deşarj süreleri ve daha uzun ömür gibi avantajlar sunabilir. Daha yüksek enerji yoğunluğu, daha uzun ömür ve daha hızlı şarj süreleri sağlar. Ancak bu teknoloji hala geliştirme aşamasındadır bu sebeple henüz ticari ölçekte yaygın olarak kullanılmamaktadır

Grafen Bataryalar: Grafen bataryalar, grafen adı verilen bir karbon malzemesinden yapılır. Yüksek enerji yoğunluğu, uzun ömür ve hızlı şarj süreleri vaat ederler. Ancak bu teknoloji de hala araştırma ve geliştirme aşamasındadır.

Grafit Anot ve Katot Yapısına Sahip Lityum Metal Bataryalar: Bu teknoloji, lityum metal kullanımını içerir ve daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip olabilir. Ancak, lityumun metalik doğası nedeniyle güvenlik endişeleri ve döngü ömrü konuları bulunmaktadır.

Grafen Katotları: Grafen, lityum iyon bataryalarının katot malzemesi olarak potansiyel bir adaydır. Grafenin yüksek iletkenlik ve hafifliği, batarya performansını artırabilir ve daha hızlı şarj/deşarj süreleri sağlayabilir.

Metal-Hava Bataryaları: Metal-hava bataryaları, oksijenle reaksiyona giren bir metal elektrot kullanır. Yüksek enerji yoğunluğu ve uzun menzil vaat ederler. Ancak bu teknoloji de hala geliştirme aşamasındadır.

Lityum-Sülfür (Li-S) Bataryalar: Lityum-sülfür bataryalar, yüksek enerji yoğunluğuna ve düşük maliyete sahip olma potansiyeline sahiptirler. Bu bataryalar, enerji depolama kapasitesini artırmak için üzerinde yoğun araştırmalar yapılıyor.

Sodyum İyon Piller: Sodyum iyon piller, lityum iyon pillerine alternatif bir enerji depolama çözümü olarak öne çıkmaktadır. Bu piller, enerji depolamak ve taşımak için sodyum iyonlarını kullanır. Lityum iyon pillerinin belli sınırlamalarına alternatif bir çözüm sunması nedeniyle, özellikle büyük ölçekli enerji depolama sistemlerinde ve yenilenebilir enerji uygulamalarında ilgi görmektedir.

Sodyum iyon pillerinin avantajlarından biri, hammaddesi olan sodyumun geniş ölçekte temin edilebilir olmasıdır. Sodyum, dünyanın en bol elementlerinden biridir ve ticari açıdan daha düşük maliyetli olabilir. Bu da, sodyum iyon pillerinin potansiyel olarak daha uygun maliyetli bir seçenek olmasını sağlar.

Ancak, sodyum iyon pillerinin bazı dezavantajları da bulunmaktadır. Örneğin, enerji yoğunluğu genellikle lityum iyon pillere kıyasla daha düşüktür. Bu, aynı kapasitedeki bir bataryanın daha büyük olmasını gerektirebilir. Ayrıca, sodyum iyon pillerinin şu anda lityum iyon pillerine kıyasla daha düşük performans sergilediği ve daha az gelişmiş bir teknoloji olduğu söylenebilir. Bununla birlikte, araştırmalar ve teknolojik ilerlemelerle sodyum iyon pillerin performansı ve verimliliği artırılmaya devam edilmektedir. Bu nedenle, önümüzdeki yıllarda sodyum iyon pillerinin enerji depolama endüstrisinde daha önemli bir rol oynaması beklenmektedir.