EV Pillerinin İç Hikayesi: NCM, NCA, LFP ve Katı Hal Kimyalarının Aydınlatılması

Elektrikli araçların ulaşım yükünü tam olarak üstlenememesinin temel nedeni, yüksek gerilim bataryalarının teknoloji düzeyidir. Son on yılda bu alanda büyük ilerlemeler kaydedilmiş olmasına rağmen, pillerin enerji içeriği sıvı yakıtların enerji içeriğinin yakınında bile değil. Otomotiv araştırmalarının kutsal kâsesi, şu anda mevcut olandan çok daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir bataryadır. Bu nedenle mevcut ve gelecek vaat eden pil teknolojilerini gözden geçirip sizi bilgilendirmeye karar verdik.

Şu anda kullanımda olan teknolojiler

Lityum iyon - NCM ve NCA katot

Lityum iyon piller, Sony'nin bunu ticari bir cihaz olan Sony CCD-TR1 video kamerada piyasaya sürdüğü yaklaşık 30 yıl öncesine dayanıyor. Lityum iyon pil nasıl çalışır? Özetle, lityum iyonları anottan katoda ileri geri hareket eder. Deşarj sırasında anot katoda lityum iyonları gönderir. Lityum iyonları sıvı elektrolitlerden geçerken, elektronlar dış devreden geçerek hücrenin katotunda yeniden birleşir. Şarj sırasında tam tersi olur.

Günümüzde lityum iyon NCM ve NCA yüksek gerilim akü tipleri neredeyse yalnızca elektrikli araçlarda kullanılmaktadır. N, Nikel'i, C, Kobalt'ı, M, Manganez'i ve A, alüminyum'u temsil eder. Pilin katotundaki bu malzemelerin yüzdesine bağlı olarak farklı özellikler elde edilir. Örneğin bir NCM 712 pil, %70 Nikel, %10 Kobalt ve %20 Manganezden oluştuğu anlamına gelir. Genel olarak, pildeki Nikel yüzdesi ne kadar yüksek olursa, pilin sağlayabileceği enerji yoğunluğu da o kadar yüksek olur ve pil takımının ağırlığı ve boyutları üzerinde derin bir olumlu etki sağlanır.

Yerkabuğunda kobaltın az bulunması ve tartışmalı madencilik etiği (çocuk işçiliği) nedeniyle, pil üreticileri daha düşük malzeme yüzdesine sahip veya tamamen hariç tutulan kimyalar kullanmaya çalışıyor. Anottaki yüksek Nikel katot, hücreden pakete düzenleme ve silikonun kombinasyonu, enerji yoğunluğunu 325 Wh/kg'a kadar çıkarabilir. Bu tip pillerin teknolojik sınırlarına yaklaştığını söyleyebiliriz.

Lityum iyon - LFP katot

Li-ion pillerin katotunun bir diğer alternatifi ise Lityum Demir Fosfat kullanımıdır. Bu tür pillerin performansı genel olarak NMC tipine göre daha düşük olsa da kullanım ömrünün daha uzun olması ve kullanılan malzemelerin daha ucuz ve yaygın olması nedeniyle bazı üreticiler tarafından tercih edilmektedir. Spesifik enerji yoğunluğu iki ana faktörden dolayı burada daha düşüktür.

Birincisi, maksimum voltajın daha düşük olması, aynı kapasitans için daha az kWh elde ettiğimiz anlamına gelir ve ikincisi, lityum iyonlarının (NMC pillerinde iki yerine) tek bir uzamsal boyutta hareket etmesi nedeniyle. Lityum iyonlarının yalnızca tek bir uzaysal boyutta hareket etmesi, pilin maksimum deşarj gücünün de daha düşük olması anlamına geliyor; bu nedenle bu tür piller, yüksek performanslı uygulamalar için uygun görülmüyor.

Tesla'nın bu tür pil kimyasını yalnızca Model 3'ün temel versiyonu için kullanmasının nedeni budur. Ancak bu tür pillerin iki önemli avantajı vardır. Ömrünün diğer Li-ion türlerine göre daha yüksek olduğu kabul edilir ve %100'e kadar şarj edilirken sorun yaşamaması aynı zamanda bu piller için güçlü bir öneridir.

Gelecekteki olası teknolojiler

Lityum - Hava

Lityum-Hava pilleri şu anda çoğunlukla teknolojik bir projedir ve araştırma aşamasındadır, ancak bu tür piller en umut verici gibi görünmektedir ve 11,4 kWh/kg ile sıvı yakıtlara benzer spesifik enerji kapasitesi sunmaktadır. Lityum anotta, hava ise katotta bulunur ve bu ikisi elektrolitle ayrılır. Deşarj sırasında, anottan gelen lityum iyonları havanın bulunduğu katoda gider ve oksijenle reaksiyona girer.

Ne yazık ki, şarj sırasındaki yüksek sıcaklıklar pilin hızlı bir şekilde yeniden şarj edilmesini engellerken, işlem sırasında dendrit oluşumu pilin hizmet ömrünü büyük ölçüde azaltarak pilin şu anda laboratuvar ortamıyla kullanımını sınırlıyor. Teknolojik zorlukların üstesinden gelinirse ve maliyeti makul olursa, İYM araçları bir gecede kullanılmaz hale gelecektir.

Solid State

Araba akülerinin Kutsal Kasesi olarak kabul edilir ve şu anda otomotiv endüstrisinin tüm devleri tarafından geniş araştırmalar yürütülmektedir. Günümüzün geleneksel lityum iyon pilleri, anodu katottan ayırmak için sıvı elektrolitler ve bir ayırıcı kullanır. Katı hal pilinde sıvı elektrolit ve ayırıcının yerini katı elektrolit alır.

Araştırmacılar şu anda hem metalik hem de seramik maddeler dahil olmak üzere katı elektrolit için bir dizi seçeneği değerlendiriyor. Şu anda hiçbir elektrikli araç bu pil teknolojisini kullanmasa da, ilk üretim modellerinin önümüzdeki iki ila üç yıl içinde piyasaya çıkması bekleniyor. Bu pilin, sıvı elektrolitli geleneksel Li-ion pillerin iki katı spesifik enerji yoğunluğu sunması ve 1.000 döngülük kullanım ömrünü koruması bekleniyor; ancak bu tahminler, geliştirme ilerledikçe potansiyel olarak gelişebilir.