Elektrikli Araç Bataryaları: Solid State ve Lityum İyon

Otomotiv sektöründe tüm dünyanın yakından takip ettiği bir elektrikli araç devrimi yaşanıyor. Çevreci alternatif olarak popülaritesi artan elektrikli otomobillerin güç kaynağına baktığımızda Lityum İyon bataryalar karşımıza çıkıyor. Bu teknolojinin göründüğü kadar masum olmadığı ve çevre üzerindeki olumsuz etkileri bir süredir tartışılıyordu. Lityum İyon bataryaların eksiklerinden yola çıkan ve daha iyisinin mümkün olduğunu söyleyen Toyota, yaptığı çalışmalarla elektrikli araçlarda Solid State batarya kullanmayı hedefliyor. Günümüzde yaygın olarak kullanılan elektrikli araçlardan çok daha hızlı, güçlü ve çevreci olacağı söylenen bu batarya şimdiden büyük bir merak konusu. Peki mevcut elektrikli araçlar gerçekten çevre için tehdit oluşturuyor mu? Yeni bir devrim yaratacağı söylenen Solid State bataryalar elektrikli araç dünyasına ne gibi katkılar sunacak? Haydi bu soruların cevaplarını birlikte arayalım.

Günümüzün Elektrikli Araç Dünyası

Dünya genelinde çevreci kaynaklara dönüş için elektrikli araç kullanımı teşvik ediliyor. Ülkemizde ise elektrikli araç tercihi çoğunlukla düşük kullanım maliyetleri ile alakalı. Ayrıca ülkelerin büyük bir çoğunluğu içten yanmalı motorların yakıtı için dışa bağımlı. Bu bağımlılığı ortadan kaldırabilmek adına elektrikle çalışan araçları destekliyorlar. Ancak kullanılan enerji temiz olsa da bu enerjiyi kullanarak çalışan bataryalar o kadar da masum sayılmaz. Lityum İyon (Li-Ion) bataryaların öne sürülen avantaj ve dezavantajlarına göz atacağız fakat önce çalışma prensibini yakından inceleyelim.

Lityum İyon Piller Nasıl Çalışıyor?

Lityum İyon piller, farklı katmanlardan meydana geliyor. İlk katman, “katot” adı verilen ve Lityumla dolu olan pozitif katman. İkinci katman ise “anot” adı verilen ve karbondan oluşan negatif katman. Bu iki bölümü birbirinden ayırmak içinse polimer bir katman kullanılıyor. Son olarak tüm bu yapı, sıvı elektrolitler içerisinde konumlandırılıyor. Böylece elektrik iletimini sağlayan bir ortam oluşturuluyor. Tüm sistemin işleyişine baktığımızda Lityum İyon pillerin nasıl çalıştığını anlamak oldukça kolay. Araç kullanılırken birbirinden ayrı katmanlarda duran atomlar, şarj sırasında yer değiştiriyor. Lityum atomları, karşı tarafa geçerek karbonların olduğu bölüme geçiş yapıyor ve burada karbon atomlarıyla birlikte duruyor. Her altı adet karbon atomu için bir tane Lityum atomu tutuluyor ve burada oluşan enerjiyle elektrikli araçlar şarj edilebiliyor.

Neden Li-Ion Batarya Tercih Ediliyor?

Fosil yakıt kullanımına alternatif olarak sunulan Li-Ion batarya, doldurulabilme yoğunluğunun fazla olması sebebiyle sıklıkla tercih ediliyor. Lityum iyon pillerin bir araya gelmesiyle oluşan bu çoklu güç depolama birimi, en yaygın kullanılan şarj edilebilir batarya teknolojisi olarak karşımıza çıkıyor. Lityum İyon pillere genel çerçevede bakacak olursak artıları ve eksilerini şu şekilde sıralayabiliriz:

Li-Ion Bataryaların Avantajları:

• Lityum İyon bataryalar, diğer batarya türlerine göre daha hafif ve kompakt bir tasarıma sahiptir.
• Birim ağırlık ve hacmine göre yüksek enerji yoğunluğu sunar.
• Lityum İyon bataryalarda, diğer bataryalara kıyasla kendiliğinden deşarj olayı daha düşüktür. Bu sayede uzun süreli depolamalarda bile sahip olduğu enerjiyi koruyabilir.
• Hızlı şarj ve deşarj özelliği sayesinde kullanıcıların kısa sürede araç sürmeye devam edebilmesini sağlar.
• Genel batarya tipleriyle kıyaslandığında daha az bakım gerektirir.

Li-Ion Bataryaların Dezavantajları:

• Özellikle otomotiv sektöründe ihtiyaç duyulan batarya boyutları sebebiyle üretim maliyetleri yüksektir.
• Kaza durumunda bataryanın hasar alması ya da hatalı şarj gibi durumlarda Li-Ion piller güvenlik riski oluşturabilir. Böyle durumlarda bataryanın aşırı ısıma, alev alma ve patlama riski bulunur.
• Lityum İyon bataryaların belirli bir kullanım ömrü vardır ve her şarj-deşarj durumunda bu kullanım ömrü belirli bir miktarda azalabilir. Bataryada performans düşüklüğü yaşanacağından belirli aralıklarla değiştirilmesi gerekir.
• Li-Ion bataryaların üretim süreçleri büyük çevresel etki yaratır. Ayrıca kullanım sonrası  bu güç birimlerinin doğru şekilde geri dönüştürülmesi gerekir. Ancak pili oluşturan malzemelerin ayrıştırılmasıyla bu geri dönüşüm adımı tamamlanır. Bu nedenle içten yanmalı motor tiplerine göre çok daha zorlu bir süreç gerçekleştirilir.

Solid State Bataryaların Araçlarda Kullanımı

Elektrikli araç değişimine bir süre direnen markalar arasında yer alan Toyota, tasarlayacağı yeni elektrikli modelde Solid State batarya kullanacağını açıkladı. Bunun üzerine Solid State teknolojisi pek çok kullanıcının ilgi alanına girdi. Aslında bahsettiğimiz bu batarya türü yeni bir teknoloji değil. Ancak araç dünyasına yeni giriş yaparak elektrikli modellere farklı bir soluk kazandırmayı amaçlıyor. Klasikleşmiş Li-Ion bataryadan daha avantajlı özellikler taşıdığı söylenen bu batarya türü, mevcut güç birimlerinin çok büyük, ağır ve pahalı olmasından yola çıkarak bu sorunlara çözüm üretiyor. Biz de araştırdık ve Solid State dosyasını sizin için araladık. Dilerseniz detaylara daha yakından göz atalım.

Solid State Batarya Nedir?

Solid State batarya nedir sorusuna, kelimenin direkt çevirisinden yola çıkarak baktığımızda katı haldeki batarya olarak açıklayabiliriz. Araç teknolojisinde ilk kez son kullanıcıyla buluşmaya hazırlanan bu güç biriminin pek çok avantajlı özelliği mevcut. Fakat teknolojinin temelleri, 20. yüzyılın ortalarında katı polimer elektrolitlerin geliştirilmesine uzanıyor. O yıllarda ticari olarak uygulanabilir olmayan Solid State, son yıllarda katı haldeki elektrolitlerin özelliklerinin iyileştirilmesi ile araç kullanımına uygun hale getirilebiliyor.

Solid State pillerde, Lityum İyon pillerden farklı olarak katı elektrolit kullanılıyor. Bu piller için genellikle seramik ve katı polimerden üretilen elektrolitlerin kullanılması öneriliyor. Böylece katı elektrolitler, iyonlar arasında hareketlilik sağlayarak elektrik akımını iletebiliyor. Üretilen Solid State bataryalar, geleneksel elektrikli araç pillerinden daha güvenli ve uzun ömürlü olmalarını sağlayan yüksek termal kararlılığa sahip.

Solid State Piller Nasıl Çalışıyor?

Çalışma sistemi olarak Li-Ion bataryalarla benzerlik gösteren Solid State, yine içerisinde anot ve katot bölümlerine sahip. Bataryanın şarjı sırasında ise dışarıdan alınan enerjiyle lityum iyonlar katot tarafından depolanıyor. İşleyiş sebebiyle şarj sonrası bataryanın kendini deşarj etmesi gerektiği için bu aşamada da lityum iyonlar katı elektroliti geçerek anota doğru hareket ediyor ve anotta depolanıyor. Bahsettiğimiz akış, bataryanın enerji depolama ve serbest bırakma sürecini oluşturuyor.

Bu teknoloji; daha hızlı şarj, daha yüksek enerji yoğunluğu ve daha güvenli kullanım gibi avantajlar sunarak gelecekte yaygın kullanım kazanmayı hedefliyor. Ancak hala geliştirme aşamasında olduğundan mevcut Lityum İyon bataryalar hala farklı alanlarda kullanılmaya devam ediyor. Sistemin nasıl çalıştığını anladık, şimdi Solid State bataryaların öne çıkmasını sağlayan özelliklere şöyle bir göz atalım.

Solid State Pillerin Avantajları:

• Solid state bataryalar, sıvı elektrolitler kullanılmadığı için daha güvenli kabul edilir. Sıvı elektrolitlerde karşılaşılabilen alev alabilme ve patlama riski, katı hal bataryalarda daha azdır.
• Daha yüksek enerji yoğunluğu üretme potansiyeline sahiptir. Bu durum, daha küçük ve hafif bataryaların geliştirilebilmesini sağlar. Katı hal pilinin enerji yoğunluğu, aynı boyuttaki bir lityum iyon pilinkinden on kat daha fazla olabilir.
• Katı elektrolitlerin düşük direnci, Solid State bataryaların daha hızlı bir şekilde şarj edilmesini sağlar.
• Solid State bataryalar, geniş bir sıcaklık aralığında çalışabilir. Özellikle aşırı soğuk veya aşırı sıcak ortamlarda kullanıldıklarında bu durum büyük avantaj sağlar.
• Daha hafif ve güvenli olduğu için sürüş menzilinin artmasına yardımcı olur. Li-Ion pillerde, sıvı hücreleri birbirinden ayırmak ve kısa devreyi önlemek için kalın seperatörler kullanılır. Solid State bataryada ise herhangi bir sıvının ayrıştırılması gerekmediğinden daha ince seperatörler kullanılabilir. Bu durum pilin hacmini önemli miktarda küçülmeye yardımcı olur.
• Solid State batarya daha uzun ömürlü kullanılabilir. Elektrikli araçlardaki Lityum İyon piller, belirgin bozulmalar öncesi ortalama 2.000 ila 3.000 döngü arasında gerçekleştirirken katı hal piller 10.000 döngüye yaklaşabilir.

Solid State Pillerin Dezavantajları:

• Mevcut durumda Solid State bataryaların maliyetleri oldukça yüksektir.
• Bu tür bataryaların büyük ölçekte üretimi için bazı teknik zorluklar bulunur. Bu da ticari kullanımlarının yaygınlaşmasını engelleyebilir.

Katı hal bataryaları, şu anda aktif bir araştırma ve geliştirme alanı olduğu için gelecekte daha fazla iyileştirme ve yenilikle birlikte yaygınlaşması bekleniyor. Ancak bu teknolojinin tam potansiyeline ulaşması ve ticari olarak kullanılabilir hale gelmesi biraz daha zaman alabilir.

Solid State Pil ve Lityum İyon Pil Karşılaştırması

Lityum İyon pil ile çalışan batarya türleri, güneş ve rüzgar gücünün sağladığı temiz enerjiyi depolamaya imkan tanıyor. Elektrikli otomobil dünyasında yaygın kullanıma sahip olan bu pillerin pek çok avantaj ve dezavantajı bulunuyor. Solid State bataryalar da bu geleneksel bataryaların karşılaştığı bazı sorunlara çözüm üretmeyi amaçlıyor. Son dönemde adını sıkça duyduğumuz bu iki tür çevreci pilin farklılıklarını aşağıdaki gibi sıralayabiliriz:

1. Solid State ve Lityum İyon pil karşılaştırmasında en önemli fark kullanılan elektrolitler. Lityum İyon bataryalar sıvı elektrolitler kullanırken Solid State bataryalar katı elektrolitlerden faydalanır.
2. Lityum İyon bataryalar, diğer batarya türleriyle kıyaslandığında daha yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir. Ancak Solid State bataryalar bu konuda Li-Ion bataryaları geçebilir. Bu durum katı hal bataryaların, aynı boyuttaki bir Lityum İyon bataryadan daha fazla enerji depolamasına ve daha uzun menzile sahip olmasına imkan tanır.
3. Solid State batarya, hızlı şarj konusunda da daha iyi performans sergiler. Katı haldeki elektrolitler, bataryaların daha kısa sürede şarj edilmesini sağlar. Mevcut hızlı şarj teknolojileriyle Lityum İyon bataryalar da hızlı şarj edilebiliyor ancak Solid State’in bu konudaki potansiyeli daha yüksek.
4. Solid State bataryalar daha güvenli bir çalışma sistemine sahiptir. Çalışma sisteminde kullanılan elektrolitlerden dolayı Lityum İyon bataryaların alev alma ve patlama riski daha yüksektir.
5. Solid State bataryaların üretim maliyetleri, mevcutta kullanılan Lityum İyon bataryalardan daha yüksektir. Bu sebeple Li-Ion bataryalar yaygın olarak tercih edilir ve otomatikleşen üretim süreçleriyle de bağlantılı olarak daha düşük maliyetli kabul edilir.
6. Katı hal bataryaları araçta daha az yer kaplayabilir. İçinde sıvı bulunduran Lityum İyon pillerde, katmanları birbirinden ayırabilmek için kalın seperatörler kullanılır. Solid State teknolojisi bu kalınlığı düşürerek yerden daha fazla tasarruf edebilmenizi sağlayabilir.

Araç noktasında bu iki batarya türünü ele aldığımızda hem kompakt boyutları hem yüksek enerji yoğunluğu hem de daha güvenli olması bakımından Solid State bataryalar öne çıkıyor. Ancak üretilen araçların düşük maliyetli olması da oldukça önemli. Bu açıdan yaygın kullanıma sahip olan Li-Ion bataryalar hatırı sayılır bir avantaja sahip. Bununla birlikte, yazı üzerinde avantajlı özelliklere sahip olan Solid State bataryaların hala gelişim aşamasındaki bir teknoloji olduğunu da unutmamak gerek.

Mevcut durumda, pil üretimi ve geri dönüştürülme süreçleri sebebiyle elektrikli araç kullanımının tüm dünyaya yayılabilmesi oldukça zor görünüyor. Bu konuda alternatifleri çoğaltmak isteyen bazı markaların büyük girişimlerini ise haberlerden takip edebiliyoruz. Volkswagen ve Bosch, yaptıkları yatırımlarla polimer sistemler geliştirmek üzerine çalışmalarını sürdürüyor. Toyota ise seramik elektrolitli tamamen katı hal bataryası kullanılarak çalışabilecek bir otomobil tasarımı üzerinde çalışıyor. Solid State teknolojisi yeni olmasa da bu teknolojiyi otomobillerde kullanılabilir hale getirmek cesur bir girişim.

Halihazırda kullanılan bataryaların çok büyük, ağır ve pahalı olmasından yola çıkarak daha iyi bir alternatif geliştirmeyi amaçlayan marka, batarya dayanıklılığını artırmayı hedefliyor. Bununla birlikte 1,200 km gibi son derece iddialı bir menzil seviyesine ulaşabilecek ve 10 dakikada tamamen şarj olabilecek bir tasarım üzerinde çalışmalarını sürdürüyor. Toyota, Solid State bataryaları 2027 yılına kadar elektrikli araçlarda kullanılabilecek şekilde üretebilmeyi planlıyor.

Oyunun kurallarını değiştirmesi beklenen bu batarya türünün önünde önemli engeller de bulunuyor. Yukarıda, katı hal pillerinin dezavantajları arasında da yer verdiğimiz gibi bu tür bataryaların üretimi oldukça zorlu ve maliyetleri de son derece yüksek. Ancak Toyota, üretimi kolaylaştırıp maliyeti düşürebilecek ayrıntılara tasarımında yer vermeyi planlıyor. Marka, 2012 yılından bu yana mühendisleriyle birlikte Solid State teknolojisi üzerindeki çalışmalarını sürdürüyor. Web sitesinde yaptığı açıklamaya göre bugün 1.000’in üzerinde Solid State batarya patentinin sahibi konumunda.

Araç teknolojilerinde bizi son derece ilgi çekici bir geleceğin beklediği şüphesiz. Bu gelişime katkı sağlayan Solid State ve Lityum İyon bataryalar hakkında ele aldığım yazıyı faydalı bulduysanız bu yazı da ilginizi çekebilir.