Dolum Şekline Göre Batarya Sınıflandırması : Hibrit, Fişe Takılabilir (Plug-İn) ve Tam Elektrikli Araç Bataryalarının Farkları

Herhangi bir elektrikli aracın batarya sisteminin – hibrit, fişe takılabilir hibrit (plug-in) veya tam (saf, pür) elektrikli farketmeksizin- hemen hemen aynı olduğunu düşünebilirsiniz. Ancak bu durum , batarylaların farklı elektrikli araç türlerinde kullanılma şekilleri arasında var olan iki önemli farkı gözden kaçırdığınızı gösterir. Birincisi, batarya boyutuna nisbetle bataryaya giren ve ondan çıkan elektrik gücünün akışıdır. Örneğin, makul hızlanmalar sırasında her üç elektrikli araç türü de, tıpkı makul yavaşlamalarda rejeneratif frenleme sayesinde tüm enerjiyi geri kazanmalarındaki oranlarda enerji tüketmektedirler.

Ancak tam elektrikli otomobiller fişe takılabilir  hibrit araçlardan on kat daha büyük bir bataryaya sahip olabilir ki bu araçlar da aynı şekilde hibrit özelliktekilerden on kat daha büyük bir bataryaya sahip olabilir. Bu nedenle, enerji kapasitesine nisbetle güç akış miktarı -güç-enerji oranı- farklı elektrikli araçlardaki bataryalar için çok farklıdır denebilir. Aşağıdaki çizelge, akü kapasitesi ve güç-enerji oranlarındaki farklılıkları göstermek için Ford firmasının modellerinden örnekler kullanmaktadır.

 Ford Firmasının Üç Tip Elektrik Batarya Sisteminin Kıyaslanması

Not: Yukarıdaki tabloda "tak çalıştır" ifadesi  "fişe takılabilir hibrit"  ifadesinin kısaltılmışı olarak yazılmıştır. 

Üstelik üç farklı araç, elektrikli güç aktarma organlarını farklı şekillerde kullandığından, her bir bataryanın gördüğü şarj/deşarj döngü sayısı oldukça değişkenlik gösterecektir. Benzinli motorun verimliliğini artırmak için tasarlanmış bir hibrit araçta güç, kompakt, hafif ve çok pahalı olmayacak şekilde tasarlanmış küçük bir bataryaya ve bataryadan dışarı olacak şekilde sürekli olarak her iki yönde akmaktadır. Bir paket süt almak için markete giderken bataryayı tam beş kez doldurup boşaltabilirsiniz.

Bir fişe takılabilir ( plug-in) hibrit yapı , bir araca yaklaşık 10 ila 40 mil arasındaki mesafelerde tam güç sağlamak üzere tasarlanmış çok daha büyük bir batarya sahiptir. Ayrıca şehir içi trafikte sürekli şarj ve deşarja maruz kalır, ancak bu güç akışlarının miktarı, günde yalnızca bir veya iki kez tamamen deşarj olmasını gerektirecek şekilde toplam batarya kapasitesine kıyasla küçük kalmaktadır. Tam elektrikli araçlarda halen çok büyük bataryalar bulunmaktadır ve bu batarya nadiren tam şarj / deşarj döngülerine maruz kalır.

Ford firmasının Batarya Hücre Teknolojisi ve İleri Batarya Sistemlerinin kıdemli teknik uzmanı Bob Taeneka’ya göre tam elektrikli araç bataryaları tüm kullanım ömrü boyunca en fazla 1000 şarj/deşarj döngüsüne sahip olabilir. Bu rakam fişe takılabilir hibrit araçların bataryalarının sahip olduğu 4000-8000 döngü ile kıyaslandığında olabildiğince düşük bir rakam. Hibrit araçlarda ise toplam 100.000 döngüye ulaşmak mümkündür.

Taenaka, "Bir batarya şarj olup boşaldıkça iç direnci artar" diyor. Bunu kontrol etmenin bir yolu, bir şarj/deşarj döngüsü sırasında batarya kapasitesinin kullanılacağı oranı sınırlamaktır. Maksimum döngü sayısını gören F-150 gibi bir hibrit için, “şarj durumu penceresi (gerçekte kullanılan batarya kapasitesinin oranı) bugün muhtemelen yüzde 50 civarında.” Escape gibi fişe takılabilir hibrit için, bu kullanılabilir kısım yüzde 80'e kadar yükselebilir. Ve Mustang Mach-E için yüzde 90'a yaklaşıyor.

Elektrikli Araç Bataryaları Temelde Hibrit, Fişe Takılabilir ve Tam Elektrikli şeklinde 3'e ayrılırlar. 

Bir bataryanın güç-enerji oranını ayarlamak için mühendisler, hem hücrelerdeki akım toplayıcıların hem de kimyasal kaplamalarının kalınlıklarını değiştirirler. Bir hibritin kısa süreli puant güç sıçraması yapması ufak bir bataryadan yüksek elektrik akımı çekilmesini gerektirir ki, bu da yeterince ilginç bir şekilde, daha ince elektrotlar ve daha ince kimyasal kaplama ihtiyacı demektir. Bunun sebebi bu daha ince öğelerin elektrolit ile temas halinde daha büyük bir elektrot alanını beraberinde getiriyor olmasıdır. nedeni, bu daha ince elementlerin elektrolit ile temas halinde daha büyük bir elektrot yüzey alanı getirmesidir.

Tam aksine, tam elektrikli araç bataryalarında daha kalın elektrotlar ve daha yüksek aktif kimyasal malzeme kullanır. Daha kalın elektrotlar daha fazla enerji yoğunluğu sağlar çünkü hücrenin toplam hacminin daha fazla bir kısmı elektrotlardan ve aktif malzemeden oluşmaktadır ve ayırıcı, akım toplayıcılar ve elektrolit için ayrılan hacim küçülür. Bataryalar büyüdükçe, birim ağırlık başına kullanıma hazır kilovat saati en üst düzeye çıkarmak daha önemli hale gelir. Lityum-manganez-oksit tipik bir kimyasal kaplamadır - tabii başka malzemeler de var - ancak kimya tek başına, hücrenin daha fazla güç veya enerji yoğun olup olmadığını belirlemede belirleyici değildir.

Diğer bir husus, batarya paketinin toplam gerilimidir. Ford, maksimum 400 volta ulaşan hibrit elektrik sistemleri kullanır, bu nedenle her üç tip araç türünün de hücreleri bu sınırlama dahilinde kalacak şekilde kablolanmaktadır. Çoğu lityum-iyon pil 3,6 voltta çalıştığından, F-150 Hibrit pil, 274 volt üretmek için seri bağlanmış 76 küçük hücre kullanır. Escape fişe takılabilir hibrit  84 adet olan , çok daha büyük hücreleri (hücre başına 20'ye karşılık 171 watt-saat) toplamda 300 volta ulaşacak şekilde seri olarak kablolanmaktadır. Bununla birlikte, Mustang Mach-E’nin 376 adet olan daha daha büyük hücreleri (262 watt-saat), her biri toplamda 343 volt veren dört adet 94’lik hücre dizisi halinde ve Ford'un 400 voltluk elektrik mimarisinin getirdiği sınırlamaya uygun olması için paralel olarak kablolanmaktadır.

Katı Hal Pilleri

Katıhal pilleri geleneksel pillerden bilhassa katı haldeki elektrolit yapısı ile ayrılırlar. Elektrolitin görevi anot ve katot arasında iyon iletimini sağlamaktır. Pilin kimyevi yapısına bağlı olarak iletimi sağlanacak iyonlar farklılık gösterir. Bu iyon örneğin lityum iyon pillerde lityum katyonuyken, sodyum iyon pillerde sodyum katyonudur. Katıhal pillerinde yük aktarımı katı kristal yapıda gerçekleşen farklı yük atlama süreçlerine dayanır. Bu süreçlerin temel karakteristiği kullanılan elektrolite bağlı olarak değişir ve Schottky kusurları, Frenkel kusurları benzeri farklı kusurların oluşumu , veya bir ara konumda bulunma neticesinde belirginleşir.

Katıhal pillerinde katı elektrolitlerin kullanılabilmesi için bunların olabildiğince yüksek iyon, aynı şekilde düşük elektronik iletkenliği göstermesi şarttır. Aynı şekilde, katıhal pillerinin, geleneksel pillerin enerji yoğunluğu bakımından aşabilmesi için, metalik anotların uygulama sahasına girmesi gerektiği gibi, bir lityum iyon pil için konuşulacak olursa, bugüne dek kullanılan grafitin yerini metalik lityumun alması beklenmektedir. Metalik lityum pilin doldur boşalt döngülerinde elektrot üzerinde dentrit oluşturmaya meyillidir. Bir lityum pilde lityum anottan katota dek dentrit oluşumu ve bunun neticesinde kısa devre arızası baş gösterebilir. İşte bu durum metalik lityumun geleneksel pillerde bugüne dek kullanılmamasının esas sebebidir. Bu nedenle katı elektrotlardan beklenen lityuma ve dentrit oluşumuna karşı yüksek kararlılıktır. Lityum iyon katıhal pillerinde dentrit oluşumunun sebepleri bugüne dek anlaşılmış ve yoğun biçimde araştırılmış değildir.

Katı Hal Pillerinin Yapısı

Lityum iyon katıhal pillerinde kullanılan malzeme türleri farklı şekilde sınıflandırılabilir. Sıklıkla üç malzeme sınıfı oluşturmak mümkündür: Polimer, sülfürik, oksidik.

Günümüzdeki Lityum hava katıhal pilleri lityumdan bir anot, seramik, cam yahut her ikisinden yapılmış bir kompozit malzeme içeren bir elektrolit ve gözenekli karbondan bir katot ihtiva ederler. Anot ve katot elektrolitten yük aktarımını iyileştiren ve katotu elektrolit ile elektrokimyasal olarak birleştiren bir polimer-seramik alaşım malzemesiyle ayrılır. Polimer seramik alaşımlı malzeme direnci düşürmeye yarar.

Bu tür iyon iletkenleri için, Ag+iyonlarının yük aktarımında Ag4RbI5, Li+ iyonlarının yük aktarımında LiI/Al2O3 karışımları örnek verilebilir.

Özellikler

Katıhal pilleri esasen aşağıda verilen özellikleri sergilerler:

Düşük güç yoğunluğu yüksek enerji yoğunluğu. Düşük güç yoğunluğuna sebep yüksek akımları katı-katı-sınıryüzeyleri üzerinde aktarabilmenin güç olmasıdır. Diğer taraftan bu piller bu noktadaki zayıflığı dengeleyebilecek bazı üstünlüklere sahiptir: Kolayca minyatürleştirilebilirler (örneğin ince film şeklinde imal edilebilirler) ve elektrolitinin pilin gövdesindeki sızıntı neticesinde zarar görme tehlikesi bulunmamaktadır. Kural olarak çok uzun bir ömür beklentisine ve depolama kolaylığına sahip olmakla birlikte sıcaklığın geniş aralıklarda değişmesi durumunda dahi (sıvı elektrolitlerde donma ya da kaynamaya neden olabilmektedir) güç çıkışında keskin düşüşlere maruz kalmamaktadır. Tutuşmama özelliği de ayrıca anılmaya değer bir başka üstünlükleridir.

Katıhal pillerinin en başta gelen zayıflığı olarak cam-seramik elektrolitlerin düşük iyon iletim yeteneği gösterilebilir. Günümüz katıhal elektrolitlerinin iyon iletkenliği sıvı elektrolitlerinkinden düşük kalmaktadır.

Hacim-Güç yoğunluğu pilin büyüklüğünü, kütle-güç yoğunluğu ise pilin ağırlığını belirler. Elektrikli otomobil sektöründe bu kavramlar önemli bir role sahiptirler. Ragone diyagramı güç ve enerji yoğunluğu arasındaki ilişkiyi göstermektedir. IBM firmasının araştırmacılarına göre teorik olarak Lityum-Hava pillerinin erişilebilir spesifik enerjisi (havadaki oksijenin ağırlığı hariç tutularak) kilogram başına 11 kWh (Kwh/kg) kadardır. Araştırmacıları pratikte bu azami değerin ancak onda birine ulaşılabileceğine inanmaktadırlar.

Geçmişten Günümüze Lityum İyon Pilleri

Mevcut lityum iyon pillerin zayıf yönleri arasında örneğin lityum iyon pilin yarısından fazlasını oluşturabilen gerekli soğutma ve diğer düzenekler sayılabilir. Ek olarak, çoğu sıvı elektrolit yanıcıdır ve bu da ek güvenlik düzeneklerini gerekli kılar. Elektrotların kullanım ömrünün uzatılması için pilin de soğutulması ve pilin tamamen şarj veya deşarj olmasının önüne geçilmesi gereklidir. Sakti3 firmasının katıhal pilleri esasen lityum iyon teknolojisine dayanmakta olup akışkan elektrolit burada tutuşma riski olan bir ince katı elektrolit bir tabakası ile yer değiştirmiştir. Bu tasarımın bazı prototiplerinin oldukça sağlam olduğu ve binlerce doldur boşalt döngüsünü gerçekleştirebildiği gözlemlenmiştir.