Günümüzün Elektrikli Araçlarının En Önemli Sorunları: Menzil ve Şarj Süresi

Bataryalar (piller) elektrikli araçların anahtar role sahip parçasıdır ve en pahalı bileşenidir (aracın toplam maliyetinin dörtte birinden fazlasını bataryalar oluşturur). Bataryaların depolayabildiği enerji miktarı elektrikli araçların menzilini belirler. Günümüzde elektrikli araçların menzilinin artırılabilmesi için daha büyük bataryalar kullanılıyor. Bu durumda ise araçların ağırlığı arttığından enerji verimliliği düşüyor.

Bataryaların kapasitesiyle ilgili iki kavram önemlidir: enerji yoğunluğu ve güç yoğunluğu. Enerji yoğunluğu, birim hacimde depolanan enerji miktarını gösterir. Ancak bataryaların enerji yoğunluğu çoğunlukla birim kütlede depolanan elektrik enerjisi miktarını gösterecek şekilde verilir ve birimi wattxsaat/kg’dır. Bataryaların güç yoğunluğu ise birim hacminin ürettiği güç (enerji aktarma hızı) miktarını ifade eder.

Bu kavramları su ile dolu bir havuzun boşaltılması örneğiyle zihninizde somutlaştırabilirsiniz. Enerji yoğunluğu havuzun depolayabildiği su miktarını, güç yoğunluğu ise havuzun içindeki suyun boşaltılma hızını ifade eder.

Günümüzde elektrikli araçlarda farklı batarya teknolojileri (örneğin kurşun asit, nikel metal hidrür, lityum iyon) kullanılıyor. En yaygın batarya türü ise akıllı telefon, tablet, dizüstü bilgisayar gibi taşınabilir elektronik cihazlarda da kullanılan lityum iyon bataryalar. Lityum iyon bataryaların diğer şarj edilebilir batarya türlerinden en önemli üstünlüğü enerji yoğunluğunun yüksek olması. Ancak lityum iyon bataryaların patlama tehlikesi ve maliyeti yüksek.

Lityum Bataryalar Nasıl Çalışır?

Lityum iyon bataryalar şarj edilebilir batarya türlerinden biridir. Farklı lityum iyon batarya türleri var. Yaygın olarak kullanılan lityum iyon bataryalarda bataryanın katodu lityum kobalt oksit, anodu ise grafitten üretilir. Lityum iyon bataryalarda elektrotlar katmanlı yapıdadır ve lityum atomları bu katmanların arasına yerleşir.

Tonzetich, 2017 - CC BY-NC-SA 3.0

Lityum iyon batarya enerji sağlarken yani boşalırken artı yüklü lityum iyonları pilin anodu olan grafit elektrottan pilin katotu olan lityum kobalt oksit elektrota doğru hareket eder.

Katotta gerçekleşen indirgenme tepkimesi:

CoO₂+Li⁺+e⁻→LiCoO₂

Anotta gerçekleşen yükseltgenme tepkimesi:

LiC₆→C₆+Li⁺+e⁻

Batarya şarj olurken artı yüklü lityum iyonları lityum kobalt oksit elektrottan grafit elektroda doğru hareket eder.

Geleceğin Batarya Teknolojileri

Elektrikli araçlarda kullanılan bataryaların enerji kapasitesinin artırılması amacıyla araştırmalar devam ediyor. Bu amaçla lityum iyon bataryalarda elektrot ve elektrolit olarak kullanılabilecek farklı malzemelerin geliştirilerek bataryaların enerji kapasitesi ve özellikleri iyileştirilmeye çalışılıyor.

Katı hal lityum bataryaların patlama tehlikesinin olmaması, daha yüksek sıcaklıklarda kullanılabilmesi, yüksek enerji yoğunluğu gibi üstün özellikleri nedeniyle yakın gelecekte lityum iyon bataryaların yerini alabileceği düşünülüyor.

Lityum iyon bataryalarda elektrotlar arasında elektrik iletkenliğini sağlayan elektrolit çözeltisi sıvı haldedir. Katı hal lityum bataryalarda ise bu amaçla katı malzemeler kullanılır. Lityum iyon bataryayı keşfeden Prof. Dr. John Goodenough ve çalışma arkadaşları yakın zamanda sonuçları Journal of the American Chemical Society dergisinde yayımlanan araştırmada lityum iyon bataryalara göre kullanım ömrü daha uzun, enerji yoğunluğu daha yüksek ve daha kısa sürede şarj olan lityum katı hal batarya üretmeyi başardıklarını açıkladı.

IMEC - IMEC teknoloji şirketinin geliştirdiği katı hal bataryada elektrolit olarak nanokompozitler (birbirinden farklı özelliklere sahip, nano boyutta bileşenlerden oluşan malzemeler) kullanılıyor.

Bataryalara alternatif olabileceği düşünülen başka bir teknoloji ise elektrik enerjisini depolayabilen süperkapasitörler. Kapasitörler, kimyasal enerjiden elektrik enerjisinin elde edildiği bataryalardan farklı çalışır.

Kapasitörler iki metal plaka ve bu plakaları birbirinden ayıran bir yalıtkan yüzeyden oluşan devrelerdir.

Kapasitörler şarj olurken elektronlar plakalardan birinde birikirken, diğer plakadaki elektronları iterek uzaklaştırırlar. Süperkapasitörler bataryalardan farklı olarak enerji depolama kapasitelerinde bir azalma olmadan defalarca şarj edilip tekrar boşalabilir. Ayrıca süperkapasitörlerin güç yoğunlukları çok yüksektir. Bu sayede çok hızlı bir şekilde -saniyeler içinde- şarj edilebilirler. Ancak enerji yoğunluklarının düşük olması bu teknolojinin önemli bir dezavantajı. Ticari olarak üretilen süperkapasitörlerde ulaşılan en yüksek enerji yoğunluğu lityum iyon bataryalarınkinin yirmide biri kadar.

Enerji yoğunluğu yüksek süperkapasitörler geliştirmeye yönelik araştırmalar devam ediyor. Geliştirilen malzemeler ve yöntemler üretim aşamasına geçebilirse süperkapasitörlerin enerji yoğunluğunun lityum iyon bataryalarınkine ulaşabileceği öngörülüyor.

Kaynaklar:

• Hannan, M. A. ve ark., “State-of-the-Art and Energy Management System of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicle Applications: Issues and Recommendations”, IEEE Access, Cilt 6, s. 19362-19378, 2018.
• Shen, X. ve ark., “Beyond lithium ion batteries: Higher energy density battery systems based on lithium metal anodes”, Energy Storage Materials, Cilt 12, s. 161-175, 2018.
• https://arxiv.org/abs/1803.04317
• Braga, M. H. ve ark., “Nontraditional, Safe, High Voltage Rechargeable Cells of Long Cycle Life”, Journal of the American Chemical Society, Cilt 140, Sayı 20, s. 6343-6352, 2018.