Solid State Bataryaların Elektrikli Otomobiller İçin Önemi Nedir?

Dünyaya hızla yaklaşan elektrikli otomobil fırtınasını artık hissetmiş olmanız gerekli. Tesla‘nın başlattığı bu fırtınaya neredeyse tüm dünya otomobil üreticileri de katıldı ve devasa bütçe, ar-ge çalışmaları vs ile, rekabet ortamında birbirlerini geçmeye çalışıyorlar. Bu alanda en önemli çalışma da elektrikli otomobil için kullanılacak batarya nasıl olacak sorunu. Yeni geliştirilen Solid state batarya işte bu noktada devreye girmekte.

Dediğim gibi üreticilerin giriştiği bu yarışta tüm üreticilerin çözmeleri gereken en büyük sorun, elde edilen enerjiden maksimum verimi sağlama konusu. İçten yanmalı motorlarda artık teknoloji neredeyse limitlerini zorlama noktasına, en tasarruflu motorları üreterek ulaştı.

Motor verimlilikleri, hacimleri düşürülürken, gerek gelişen mühendislik ve hassas üretim teknolojileriyle, gerek atmosferik araçların artık turbo beslemeli hale gelmiş olmasıyla, yüksek sıkıştırma oranları sayesinde oldukça arttı. Bu yüzden içten yanmalı araçlarda, motor ya da yakıt deposu ağırlığı, çoğu zaman, araç verimliliğini düşürme anlamında bir problem olmadı.

Solid-state piller gelecekte elektrikli otomobiller için vazgeçilmez olacak

Ancak konumuz burada elektrikli araçlar. Elektrikli otomobil yada diğer taşıtların üretiminde, üreticilerin önüne çıkan en büyük engel, aracın ağırlığının, elektrikli motordan alınan verimi nötürleyecek kadar artması sıkıntısı. Elektrikli otomobillerde kullanılan bataryaların aşırı ağır olması, fizik kanunları gereği, kütleyi hareket ettirmek için gerekli olan enerji miktarını artırmakta. Enerji miktarı yani araca yüklenen batarya sayısı arttıkça da, aracın ağırlığı artmakta. Bu yüzden, enerjiyi artırırken aracın ağırlığında azalmaya gidebilme yollarını bulmak, firmaların yaptığı en büyük yatırım kalemlerinin başında gelmekte.

Bundan dolayı da, bu soruna günümüzün en etkili çözümü olarak, solid-state yani Türkçesiyle, katı hal bataryaları görülmekte.

Katı hal bataryaları nedir? Katı hal bataryalarının diğer batarya türlerinden farkı nedir?

Öncelikle, herkesin bildiği, eski telefonlarda gelen, ağır nikel kadmiyum pilleri hatırlarsınız. Bu piller hacim olarak büyük, ağır ve performans olarak düşük ve kısa ömürlüydüler. Bakmayın eski telefonların 4 5 gün şarjının gittiğine, o telefonların kullanım süreleri içerdikleri uygulamaların sınırlı olmasından, ekranlarının küçük ve çözünürlüklerinin düşük, ve iç donanım olarak çok basit aletler olmalarından, elektrik ihtiyaçları azdı.

Daha sonra Lityum (Li-ion) pillerle tanıştık. Bugün telefonlarımızda kullandığımız, ince ama yüksek performanslı, daha uzun ömürlü ve daha randımanlı bir güç sağlayan piller. Bu piller hayatımıza girdikten sonra, yeni aldığımız bir cihazı artık bir tam gün şarjda tutma zorunluluğumuz yoktu. Şarjı tam bitmeden tekrar şarj edersek ‘bataryayı ölür’ problemi de ortadan kalkmıştı.

Bu da ilginizi çekebilir: Telefon ya da Notebook batarya şişmesi neden olur? Ne yapmalı?

Günümüzde üretilen elektrikli otomobillerde de lityum piller kullanılmakta. Tesla sadece lityum pil üretimi için devasa bir tesis kurdu ve lityum madenini dışarıdan ithal etmekte.

Ancak lityum pil de, araçlardaki ağırlık sorununu çözmüş değil. Lamborghini üreteceği elektrikli otomobille ilgili yaptığı açıklamada da bu konuya yer vermiş, pil teknolojisini geliştirmeden yüksek performans beklenen bir spor otomobil yapmayacaklarını belirtmişti.

Günümüzde bu sorunun çözümü için firmaların öngördüğü gelecek solid-state batarya kullanımından geçmekte. Solid-state piller elektrikli otomobil üretiminde, hem üretici hem tüketici açısından, daha iyisi bulunana kadar, herkesi memnun edecek özelliklere sahip görünüyor.

Gelin solid-state bataryaların özellikleri nelermiş bir bakalım:

Solid-state pil vs Lityum-ion farkı

Solid-state piller aynı lityum pillerdeki prensiplerle çalışır ama lityum piller likit elektrolitlerle çalışır. Oluşturduğu maddelerin farklı olması, batarya karakteristiğini, maksimum şarj kapasitesini, şarj süresini, hacmini ve güvenliğini değiştiren özellikler kazandırır.

Solid-state (katı hal) piller daha az yer kaplar ve daha hafiftir

Likit elektrolitten kuru olanına geçiş yapmanın en gözle görülür özelliği, sıvı hücreleri birbirinden ayırmak ve kısa devreyi önlemek için kullanılan kalın seperatörler yerine çok daha ince seperatörler kullanılabilmesidir. Bu durum pilin hacminde büyük miktarda küçülmeye yol açar. Solid-state piller ayrıca aynı ebattaki lityum pillerin iki katı enerji depolayabilirler.

İçinde likit bulunduran pillerin seperatör kalınlıkları 20-30 mikron kalınlığında olurken, Solid-state teknolojisi bu kalınlığı 3-4 mikrona düşürerek, takribi 7 8 kat daha fazla yer tasarrufu sağlar. Elbette seperatörler pilin içindeki tek hayati organ olmadığı için, yine de belli bir ölçünün altına inmek mümkün görünmemektedir.

Solid state batarya daha uzun ömürlüdür

Solid-state elektrolitleri yapıları gereği günümüz likit ya da jel oluşumlu bataryalarına göre çok daha az reaksiyona girme eğilimindeler. Bu yüzden diğer pillere göre çok daha uzun süre dayanmaları, daha fazla şarj döngüsüne sahip olmaları, yani 2 3 yılda bir değişim gerektirmemeleri bekleniyor. Ayrıca bu durum, bir çarpma ya da hasar almaları durumunda hemen ateş alıp patlama risklerini de ortadan kaldırması anlamına geliyor, yani tüketici için çok daha güvenli. Elektrikli otomobillerin, ağır bir kaza durumunda pillerinin sıkışıp yanma olasılığı elbette bir risk. Solid-state bataryalarla bu durum ortadan kalkmış olacak.

Bu da ilginizi çekebilir: Jaguar i-Pace elektrikli otomobil özellikleri

Satın alınan bir cep telefonu uzun yıllar kullanılıyorsa, yani öyle çok sık telefon değiştirme adetiniz yoksa, telefonun bataryasının çıkarılabilir olması, pilin ömrü bittiğinde kolayca yenisiyle değişebilir anlamına geldiğinden hep bir tercih sebebidir.

Li-ion bataryaya sahip akıllı telefonlar, bir kaç yıl kullanıldıktan sonra artık pil ömrünü tüketmekte, bu da çalışma sürelerinin kısalması, şarj almama, şarjı var gibi görünürken birden kapanma, özellikle soğuk havalarda daha da performans kayıpları olması, durduk yere reset atma gibi sorunlar çıkarmakta. Hatta uzun süre bu pillerle devam edince telefonun donanım kısmına bile zarar verme, wi-fi çipinin yanması vs. gibi sorunlar ortaya çıkabilmekte. Solid-state bataryalara geçilmesi durumunda bu sorunlar büyük ihtimalle ortadan kalkacak, çünkü telefonun batarya ömrü telefonun kendisinden daha uzun olacaktır.

Solid-state Elektrolit Tipleri

Solid-state pillerin ayrıldığı ve her birinde farklı elektrolit materyal tiplerinin kullanıldığı 8 ana kategori vardır. Bunlar;

• Li-Hydride
• NACICON-like
• Garnet
• Argrodite
• LIPON
• LISICON

olarak sıralanabilir. Hala gelişmekte olan bir teknoloji olması nedeniyle, bu listeden kazananın kim olacağı, hangi elektrolit tipinin farklı ürün kategorilerine en uyumlu olacağı ve pazar payını hangisinin kapacağı şu an çok belli değil. Ancak sülfit tabanlı LIPON ve Garnet hücreler şu an en umut vaat eden iki aday olarak durmakta. Farkındaysanız bu listedekilerin çoğu bazı yönlerden lityum tabanlı elektrolite sahip piller olarak durmakta. Fakat hepsi de performans artışı için yavaş yavaş yeni nesil anot ve katot maddelerine geçiş yapıyorlar.

İnce Film Piller

Solid-state piller de kendi içinde ikiye ayrılmakta. İnce filmli olanlar ve kalın olanlar. Şu an piyasada da bulunan ve ince film katı hal pillerin en başarılılarından birisi olan LiPON bataryalar, üreticilerin lityum anot kullanarak ürettiği bataryaların başında gelmekte.

LiPON elekrolit, mükemmel oranlarda ağırlık, kalınlık ve hatta esneklik sağlama özellikleriyle, şu an geleceğin giyilebilir teknoloji alanında kullanılabilmesi adına en umut vaad eden hücre konumunda bulunmakta.

‘Daha uzun şarj süresi’ anlamında, bir diğer can alıcı nokta ise, LİPON piller, 40.000 şarj-deşarj’dan sonra bile, sadece %5 kapasite kaybı gibi muazzam bir sonuç ortaya koyması. Bunu şöyle düşünecek olursak, soli-state pile sahip otomobil, telefon ya da herhangi bir cihazınızı, günde bir kere şarj etmiş olsanız, neredeyse 110 yıllık! bir kullanımdan sonra sadece %5 bir performans kaybına uğrayacak ki, o günü görmek insan için pek de mümkün değil. LiPON piller, değişime gerek duymadan önce, Lion pillerden 40 ile 130 kata kadar daha uzun ömre sahip. Telefonlarımızda kullandığımız Lityum piller 300 ile 1000 şarj döngüsüne kadar sağlıklı ömür sunabilmekte.

LiPON pillerin dezavantajları ise, enerji kapasitesi ve iletkenlik bakımından diğerlerine kıyasla verimsiz olmaları. Ancak bu eksiklik, gelişmekte olan alternatif solid-state pil teknolojileri ile kapatılabilir ve günümüzün giyilebilir teknolojik ürünlerinden biri olan ve satışını düşüren en büyük etkenin düşük şarj süresi olan smartwatch’lar için bir çözüm olabilir.

Büyük Ebatta Pil Üretimini Başarmak İlk Öncelik

Bugüne kadar yapılan solid-state piller kullandığımız akıllı telefon ve tabletler, notebook ya da konumuz olan elektrikli otomobillerde kullanılacak kadar büyük hücrelere sahip değiller. Daha büyük ebatlarda, daha büyük enerji kapasiteli bataryalar için LiPON gibi umut vaat eden teknolojilerin likit elektrolit teknolojisine ulaşmış ya da en azından yaklaşmış bir iletkenlikleri olması gerekmekte. ‘İyonik iletkenlik’ İyonların bir madde üzerindeki hareketlerini ölçer ve gerekli akımı alabilmek için büyük ebatta hücrelerden iyi bir iletkenlik alabilmek bu işin olmazsa olmazıdır.

LISICON ve LiPS, solid-state pil geliştirme alanında lider konuma geçmiş, araştırmalarda diğerlerini sollayarak LiPO, LiS ve SiS bataryalar olarak ortaya çıkmıştı. Ancak geldiğimiz noktada bu pillerin hala organik ve likit elektrolitlerden oda sıcaklığında daha az iletken olmaları, ticari ürünlerde kullanılabilirliklerinin önüne geçmekte.

Bu da ilginizi çekebilir: Silikon Anot Piller ile Elektrikli otomobiller 5 dakikada şarj olacak

Yüksek iletkenlik

Söz konusu yüksek iletkenlik olduğunda garnet-oxide (LLZO) elektrotler devreye giriyor ki, bu biraz önce belittiğimiz oda sıcaklığındaki iletkenliği tama da istenen seviyelere çekebiliyor. Bu madde hemen hemen likit lityum ion hücrelerin sağladığı iletkenliğe yetilmiş seviyelerde bulunmakta ve yeni araştırmalar gösteriyor ki, biraz daha geliştirilmesi durumunda ona eş değer seviyeye getirilebilir. 

Bu basit tabirin anlamı aslında bundan çok daha fazlası. Bunun başarılabilmesi demek, günümüzde kullandığımız lityum pillerle eşit seviyede güç ve kapasite verirken, çok daha küçülmüş bir hacme, çok daha uzun ömre sahip bir batarya elde edilebileceğimiz anlmaında geliyor.

Garnet bunun yanında havada ve suda da çok dengeli çalışma ortamı sunuyor. Bu da onu, Li-Air pillerin kullanımı için uygun hale getiriyor.

(Li-air pil nedir diye merak ediyorsanız, kısaca, Li-Air piller geleceğin bir başka umut vaat eden pillerinden birisi ve günümüz lityum pillerinden 10 kat daha uzun süre dayanabilen piller olması. Bunu başarabilmesinin ardındaki sebep, lityum piller gibi kimyasal reaksiyonu kullanmanın yanında, havada bulunan oksijeni de kullanması. Şu an çözülmeye çalışılan sorunu ise, oksijen kimyasal tepkimeye girerken, bataryanın diğer parçalarının da bundan etkilenmesi. Bu noltada yukarıda belittiğimiz Garnet devreye girecek gibi duruyor.)

Ne yazık ki, farklı ve çok pahalı bir ısıl işlem olan sinterleme işlemiyle üretilebilmesi bu materyalin şu anki en büyük dezavantajı. Bu durum şu an, çok düşük maliyete sahip lityum-ion hücrelerin üretimiyle karşılaştırıldığında, Garnet’in cazibesini yok eden ve tüketici elektroniği sektöründe kullanıma geçmesinin önüne geçen en büyük etken.

Yakın gelecekte, yeni üretim teknikleriyle üretim maliyetlerinin düşmesi kuvvetle muhtemel ancak günümüz şartlarında solid-state pillerin ticari amaçlarla kullanılabilmesi çok da mümkün görünmüyor.

En erken drone’lerde kullanılacak

Yani özetle, solid state pil teknolojisi alanında araştırmalar hızla devam ediyor olsa da, olgunlaştırılmış ve ticari tüketim malzemelerinde kullanılabilen bataryaları önümüzdeki 3-5 yıl içinde görmemiz pek mümkün değil. En yakın kullanım tarihi drone tarzı cihazlarda kullanıldığı tarih olacak gibi, ki o da önümüzdeki yıllarda gerçekleşmesi muhtemel duruyor. Teknoloji teorik anlamda hazır. Tek eksiğimiz bunu olgunlaştırıp kullanıma hazır hale getirebilecek çalışmaların tamamlanabilmesi ki, bunu da şu an elinde her türlü gerekli kaynağı bulunduran ve bu işi gerçekleştirecek olan, adlarını yeni duyacağımız pil üreticileri mevcut.

Gelecek kaçınılmaz biçimde elektrikli otomobillere ait. Bunu diğer tüm bilindik nedenleri bir kenara koyup, dev petrol şirketlerinin artık yavaştan elektrikli otomobillere göz kırpmalarından ve üretilmelerine izin vermelerinden de anlayabiliyoruz. Önümüzdeki 10-15 yılın dev otomobil şirketleri de, solid-state pil üretimini başarmış firmalar olacak ve kendi ürettikleri otomobillerle piyasayı domine edecek desek yanılmış olmayız diye düşünüyorum.

Kısaca tekrar etmek gerekirse, solid-state (katı hal) pillerin bize sağlayacağı en temel avantajlar;

• 6 kat saha hızlı şarj olmaları,
• 2 kat daha fazla enerji kapasiteleri,
• 10 yıl gibi uzun ömre sahip olmaları,
• yanıcı, patlayıcı parçalarının ya da içeriklerinin olmaması.

Bu yenilik, başta en yaygın kullanıma sahip akıllı telefonlar gibi cihazların yanında, elektrikli otomobiller, ve diğer cihazlar için bir deprem etkisi yaratacaktır.

Görseller: Chevrolet, toyota, mit news