Elektrikli araçların (EV) giderek yaygınlaşması, daha sürdürülebilir bataryalar ve şarj altyapısı geliştirme arayışını daha da önemli hale getirmiştir.
Günümüzde lityum-iyon model elektrikli araç (EV) bataryası en yaygın olanıdır. Ancak bu bataryanın üretimi için kobalt, manganez ve hatta lityumun kendisi de dahil olmak üzere çok sayıda nadir ve elde edilmesi zor malzeme gerekmektedir. Ayrıca, madencilik süreci, faaliyette bulunan bireyler ve çevredeki ekolojik ortam için çok sayıda risk oluşturmaktadır.
Bu nedenle, elektrikli araçların geliştirilmesinde en popüler araştırma alanlarından birinin, sodyum veya hidrojen gibi daha bol bulunan malzemeleri kullanan daha güçlü, daha sürdürülebilir bataryaların oluşturulması olması şaşırtıcı değildir.
Bu çalışmada araştırmacılar, elektrikli araçların ve bataryalarının tarihçesine genel bir bakış sunmuş, çalışma prensiplerine ve batarya teknolojisinde gelecekteki potansiyel gelişmelere odaklanmışlardır (www williamjoseph co uk/ blog/eco-friendly-ev-batteries).
Elektrikli araçların kısa tarihi
Aslında, ilk tanınan elektrikli otomobiller 1880'lerin başlarında geliştirilmiştir. İngiliz mucit Thomas Parker 1884 yılında ilk prototipi yaratırken (Londra Metrosu'nun elektriklendirilmesinde de kullanmıştır), Alman mühendis Andreas Flocken 1888 yılında 'Flocken Elektrowagen'i inşa etti. Elektrikli bir otomobilin ilk pratik uygulaması olarak kabul edilen Flocken Elektrowagen, modern elektrikli aracın yolunu açmıştır.
1890'lara gelindiğinde ise William Morrison, Amerika Birleşik Devletleri'nde elektrikli araç geliştirme alanında bir öncü haline gelmişti. Mühendislik alanındaki uzmanlığı, saatte 14 mile varan hızlarda altı kişiye kadar taşıma kapasitesine sahip bir araç geliştirmesini sağladı.
Bunu yapmak için mevcut kurşun bataryaları şu şekilde değiştirdi ve geliştirdi:
⦁ onları daha hafif hale getirdi
⦁ elektrot plakalarına şimdi cam elyafı dediğimiz 'cam yünü' ekleyerek plakaların malzeme dökerek kısa devreye yol açmasını engelledi ve böylece ömürlerini uzattı.
⦁ toplam güç çıkışını artırdı.
Elektrikli otomobil bataryaları nasıl çalışır?
Bir bataryanın ana prensibi ve işlevi, şekli ne olursa olsun aynı kalır.
Bir batarya temelleri üç temel bileşeni içerir:
bir anot: pozitif yüklü bir elektrot
bir katot: negatif yüklü bir elektrot
elektrolitler: anot ve katot arasında iyonları (yük taşıyan parçacıklar) transfer eden çözelti bileşeni
Bir bataryada anot, elektrolit ile reaksiyona girerek anot içinde elektronların (negatif yüke sahip) birikmesine neden olur. Bu da elektrotlar arasında elektriksel bir dengesizlik yaratır.
Oksidasyon ve redüksiyon süreci sayesinde elektronlar harici bir yoldan (oksidasyon) katoda (redüksiyon) gider. Bu, bataryanın bağlı olduğu her şeye yük sağlayan bir elektrik akımı yaratır. Bir batarya yeniden şarj edilirken, elektron akışı tersine döner.
Bu işlem sırasında pozitif yüklü iyonlar elektrolit ayırıcıdan geçerek kararlılık için elektrotta nötr bir yük dengesinin korunmasına yardımcı olur.
Elektrikli bir otomobilde batarya binlerce hücreden oluşur. Bunlar silindirik, prizmatik veya kese şeklinde olabilir. Bir lityum-iyon batarya (Tesla model S veya Nissan Leaf gibi modern elektrikli otomobillerde bulunan en yaygın batarya türü) şunları içerir:
⦁ nikel, manganez ve kobalttan yapılmış bir katot
⦁ grafitten yapılmış bir anot
⦁ lityum iyonlarından yapılmış bir elektrolit
Şu anda mevcut olan elektrikli araç bataryası türleri
Artık bataryaların nasıl çalıştığını daha iyi anladığımıza göre, şu anda dünya genelinde elektrikli araçlarda kullanılan en popüler bataryalardan bazılarına bakalım.
Lityum-iyon bataryalar
Lityum-iyon bataryalar (LIB'ler), akıllı telefonlar, dizüstü bilgisayarlar ve elektrikli diş fırçaları gibi elektrikli tüketim mallarının büyük çoğunluğunda bulunan en yaygın batarya hücresi türüdür.
LIB'leri kullanmanın bir dizi faydası vardır:
⦁ LIB'lerin şarj edilmesi hızlıdır ve yüksek enerji yoğunlukları nedeniyle nispeten uzun süre dayanabilirler.
⦁ Genellikle benzerlerine göre daha küçük ve hafiftirler ve ağırlık/güç oranları iyidir.
⦁ Yavaş bir kendi kendine deşarj oranına sahiptirler.
Ancak, son derece popüler olmalarına rağmen, riskleri de yok değildir.
⦁ LIB'lerin üretimi, büyük ölçüde karmaşık ve nispeten az bulunan bir malzeme kombinasyonunun kullanılması gerekliliği nedeniyle maliyetli bir süreçtir.
⦁ LIB'ler ısıya karşı çok hassas olduklarından ve elektrolitler aşırı zorlandıklarında yanıcı gazlar salma eğiliminde olduklarından en yanıcı batarya türlerinden biridir. Bu da genellikle yüksek voltaj ve sıcaklıklara karşı ek koruma gerektirdikleri anlamına gelir. Ancak bu durum ortadan kaldırıldığında, diğer modüllerden son derece daha iyi performans gösterirler.
Nikel-metal hidrit bataryalar
Nikel-metal hidrit bataryalar (NMHB'ler), harici bir şarj cihazı yerine yakıt kullanılarak şarj edildikleri için çoğunlukla Toyota RAV4 EV'ler gibi hibrid-elektrikli araçlarda (HEV'ler) kullanılır. HEV'ler normal içten yanmalı motor ve elektrik motorları arasında bir işbirliği ile çalışır. Çift güç, elektrik motorunun yavaş sürüş gerektiğinde araca güç sağlayabileceği anlamına gelir, bu da onu kasaba ve şehirlerde seyahat etmek için mükemmel hale getirir. Daha sonra, otomobil daha fazla güce ihtiyaç duyduğunda, sistem normal içten yanmalı motora geçebilir. Frenleme ve sürüşten elde edilen kinetik enerji daha sonra bataryaya tekrar güç sağlamak için kullanılır.
Nikel metal hidrit bataryalar (NMHB'ler), daha uzun ömürlü olmalarına ve çevreyle daha uyumlu olmalarına rağmen, hibrit elektrikli araçlarda (HEV'ler) büyük ölçüde lityum bataryaların yerini almıştır. Bunun nedeni yüksek maliyet, yüksek kendi kendine deşarj oranı ve NMHB'lerle ilişkili önemli ısı üretimidir.
Kurşun-asit Bataryalar
Kurşun-asit bataryalar (LAB'ler) benzinli ve dizel araçlarda bulunan baskın batarya tipidir. Bununla birlikte, elektrikli araçlarda (EV) tamamlayıcı bir batarya türü olarak da bulunabilirler. Ford Ranger EV gibi eski EV'ler, birincil batarya olarak LAB'leri kullanmaktadır.
LAB'lerin avantajları aşağıdaki gibidir:
⦁ Diğer bataryalara kıyasla ucuzdurlar.
⦁ Yüksek güç eşiğine sahiptirler.
⦁ Güvenilir, dayanıklı ve iyi araştırılmışlardır.
Bununla birlikte, en ağır araç bataryası formlarından biridir ve aşağıdakiler de dahil olmak üzere bir dizi sorunla birlikte gelirler:
⦁ Aşırı sıcaklıklara karşı duyarlılık.
⦁ Yıprandığında şarj sorunları.
⦁ Daha kısa bir kullanım döngüsü.
⦁ Asit sızıntısı ve patlama olasılığı.
Geliştirilmekte olan elektrikli araç batarya tipleri
Yeni tip elektrikli araç (EV) bataryalarının geliştirilmesi, daha fazla sürdürülebilirlik elde etme ihtiyacından hareketle devam eden bir süreçtir. Yakın gelecekte yollarda görülebilecek bazı umut verici prototipleri incelemek faydalı olacaktır.
Sodyum-iyon bataryalar
Son zamanlarda, sodyum-iyon bataryalar Çin'de gelecek vaat eden bir teknoloji
olarak ortaya çıkmıştır ve Jiangling Motors Electric Vehicle (kısmen Renault'ya aittir)
gibi şirketler buna öncülük etmektedir.
Sodyum lityumdan daha reaktif bir elementtir, ancak küresel olarak daha bol bulunur. Amerika Birleşik Devletleri'nde büyük miktarlarda bulunabilen soda külü olarak da bilinen tuz ve sodyum karbonatın temelidir. Bu, sodyum-iyon bataryaların geliştirilmesinde çok önemli bir bileşendir.
Doğal Soda Külü göl tuzlu sularında veya doğal olarak oluşan mineral yataklarında bulunmuştur. Trona (su, sodyum bikarbonat, sodyum karbonat ve bazen sodyum klorür veya tuz karışımı) doğal olarak oluşan Soda Külünün en yaygın ve en zengin kaynağıdır (www wesoda com/our-business#where-is-soda-ash-found).
Sodyumun lityuma göre kullanımının sağladığı avantajlar şunlardır:
⦁ Hammadde olarak sodyum madenciliği, ton başına önemli ölçüde daha düşük maliyetlerle daha uygun maliyetli bir süreçtir.
⦁ Kullanmak için daha güvenli bir seçenektir.
⦁ Kaynağın bolluğu göz önüne alındığında daha sürdürülebilir bir seçimdir.
⦁ Düşük sıcaklıklara karşı oldukça dayanıklıdırlar.
Ancak dezavantajları şunlardır:
⦁ Daha düşük enerji yoğunluğu nedeniyle, lityum bataryaların sağladığı güce eşit olmak için daha fazla sodyuma ihtiyaç duyulur. Ancak, Çin'deki HiNa Battery şirketinin son gelişmeleri, sodyum iyon bataryaların yeteneklerini artırmaya yardımcı oluyor ve hem araçlar hem de ev enerji depolaması için seri üretime başladı.
⦁ ABD'de soda külü kolayca bulunabiliyorken, Çin, sentetik soda külü üretmek için kömürle çalışan tesislere başvurdu ; bu da sodyum kullanmanın çevresel faydalarını anında azaltıyor.
Katı hal batarya
Katı hal bataryası , tipik olarak bir sıvı olan elektrolit tabakasının silikon veya lityum metal gibi katı malzemelerden oluştuğu bir batarya olarak tanımlanır. Katı hal bataryalarının, mevcut elektrikli araç batarya paketlerinin doğasında bulunan çok sayıda zorluğun üstesinden gelmek için oldukça umut verici bir yol olduğu açıktır.
⦁ Katı bir elektrolit, elektrotunuzun malzemesinin elektrolitinizle olumsuz reaksiyona girerek sonunda yangına neden olan bir termal olaylar zincirleme reaksiyonuna yol açtığı termal kaçak riskini azaltır.
⦁ Katı elektrolitler enerji yoğunluğunu artırarak daha büyük bir batarya kapasitesi sağlar
⦁ Katı cam elektrolit kullanan bataryalar sıfırın altındaki sıcaklıklara dayanabilir
Ancak hâlâ kapsamlı testler yürütülüyor ve otomobil üreticileri henüz prototiplerin ötesinde EV'lere katı hal bataryaları entegre etmediler.
⦁ Katı elektrolit kullanımı, elektrot malzemesinin elektrolitle olumsuz(negatif) reaksiyona girerek sonunda yangınla sonuçlanabilecek termal olayların zincirleme reaksiyonuna yol açtığı bir olgu olan termal kaçak riskini azaltmaya yardımcı olur.
⦁ Ayrıca, katı elektrolitler bataryanın enerji yoğunluğunu ve dolayısıyla kapasitesini artırır.
⦁ Katı cam elektrolit kullanan bataryalar sıfırın altındaki sıcaklıklara dayanabilmektedir.
Bununla birlikte, kapsamlı testlerin halen yapılmakta olduğunu ve otomobil üreticilerinin henüz prototiplerin ötesinde katı hal bataryalarını elektrikli araçlara dahil etmediklerini belirtmek önemlidir.
Daha sürdürülebilir nasıl olabiliriz?
Uluslararası Enerji Ajansı, 2030 yılına kadar dünya genelinde 300 milyondan fazla EV'nin dolaşacağını öngörüyor. Batarya üreticilerinin her araç için milyonlarca ayrı batarya geliştirmesi gerektiğini öne sürmek mantıksız, bu da nihayetinde geliştirmeleri için gereken kritik mineraller üzerinde büyük bir baskıya neden olacaktır.
Bunun yerine, çabalarımızı batarya geri dönüşümüne odaklamalı ve mevcut EV arabalarına hurdaya çıkarmak yerine ikinci bir hayat vermeliyiz. Tesla'nın bataryalarının %100'üyle yapmayı hedeflediği şey budur.
Batarya tedarik zincirinde bileşenlerin yeniden kullanılabileceği birçok nokta vardır ve kullanım ömrü dolan bataryaların otomatik olarak çöp sahalarına gitmesi gerekmez.
Bunu başarmanın üç temel yolu vardır.
Piro geri dönüşüm: Mevcut bataryaların eritilmesi, üreticilerin rafine edilerek tekrar kullanılabilen çeşitli metalleri ve mineralleri geri kazanmalarına olanak tanır
Hidro geri dönüşüm: hidrometalurji, bataryaların ezildiğinde veya parçalandığında oluşan ince bir toz olan 'kara kütle'den minerallerin geri kazanılmasına yardımcı olur. Hidrometalurji ile kara kütleden metaller çözülür ve toplanıp yeniden kullanılmak üzere çözücüler veya çökelti ile ayrılır.
Doğrudan geri dönüşüm: Bu işlem, bir bataryayı tamamen parçalar ve yararlı, kullanılabilir bölümleri ayırır, böylece tüm aktif parçalar geri dönüştürülebilir.
SONUÇ :
O halde bundan sonraki adımlar nelerdir?
Elektrikli araçlarda (EV) kullanılan bataryaların iyileştirilmesi ve daha sürdürülebilir depolama biçimlerinin geliştirilmesi için hala önemli bir alan bulunmaktadır. Önemli bir yaklaşım, üretim tesislerinden kaynaklanan emisyonları azaltmak için daha sürdürülebilir metodolojiler benimsemenin yanı sıra, başlangıçta bataryaları şarj etmek için daha fazla yenilenebilir enerji kullanmaktır. Hükümetlerin, hem otomotiv üreticileri hem de tüketiciler için geçerli olacak üstün, çevreye duyarlı uygulamaların ilerlemesini kolaylaştırmak için teşvikleri artırması beklenmektedir. Nihai amaç, geniş çapta kabul gören bir hedef olan daha sürdürülebilir ve gelişmiş bir küresel çevre geliştirmektir.
Sevgiyle ve Sağlıkla Kalın.
ncmCozdmr
Hüsnü Baysal’ın katkılarıyla
Kaynaklar :
www williamjoseph co uk/blog/eco-friendly-ev-batteries
Eco-friendly EV batteries
The quest for more sustainable energy storage solutions
19 May 2023
www autoexpress co uk/car-news/electric-cars/101002/history-of-the-ev-from-the-first-electric-car-to-the-present-day
History of the electric car: from the first EV to the present day
Starting with the first electric car, we look back at where it all began, and how EV tech has developed
by: James Howe, 4 Jul 2024
www wesoda com/our-business#where-is-soda-ash-found
arstechnica com/science/2022/04/lithium-costs-a-lot-of-money-so-why-arent-we-recycling-lithium-batteries/