Elektrikli Araçlar ve Batarya Kimyası
Bir elektrik motoru, genellikle bataryalı elektrikli araçlar (BEV – Battery Electric Vehicles) olarak da bilinen, tamamen elektrikli (all-electric) araçlarda içten yanmalı motorun yerini almaktadır.
Aracın elektrik motoru, elektrikli araç besleme aparatı (EVSE – Electric Vehicle Supply Apparatus) olarak da isimlendirilen, bir duvar prizine veya şarj aparatına takılması gereken, oldukça büyük bir çekiş batarya paketi ile çalışır.
Elektrikli oldukları için bu tip araçlarda egzoz borusu, yakıt deposu, yakıt hattı veya yakıt
pompası gibi herhangi bir olağan sıvı yakıt bileşeni bulunmaz.
Tam Elektrikli Aracın (All-Electric Vehicle) Temel Bileşenleri
• Batarya (Yardımcı) (Battery -Auxiliary): Yardımcı batarya, elektrikli tahrikli bir araçta aracın aksesuarlarına güç sağlar.
• Şarj Bağlantı Noktası (Charge Port): Şarj bağlantı noktası, çekiş akü paketini şarj etmek için aracın harici bir güç kaynağına bağlanmasını sağlar.
• DC/DC Dönüştürücü (DC/DC Converter): Bu cihaz, çekiş akü paketinden gelen yüksek voltajlı DC gücünü, araç aksesuarlarını çalıştırmak ve yardımcı aküyü yeniden şarj etmek için gereken düşük voltajlı DC gücüne dönüştürür.
• Elektrikli Çekiş Motoru (Electric Traction Motor): Bu motor, çekiş akü paketinden gelen gücü kullanarak aracın tekerleklerini hareket ettirir. Bazı araçlar, hem sürüş hem de yenileme işlevlerini gerçekleştiren motor jeneratörleri kullanır.
• Yerleşik Şarj Cihazı (Onboard Charger): Şarj portu aracılığıyla sağlanan gelen AC elektriğini alır ve çekiş aküsünü şarj etmek için DC gücüne dönüştürür. Ayrıca şarj ekipmanıyla iletişim kurar ve paketi şarj ederken voltaj, akım, sıcaklık ve şarj
durumu gibi batarya özelliklerini izler.
• Güç Elektroniği Denetleyicisi (Power Electronics Controller): Bu ünite, elektrikli çekiş motorunun hızını ve ürettiği torku kontrol ederek, çekiş aküsü tarafından iletilen elektrik enerjisinin akışını yönetir.
• Termal Sistem (Soğutma) (Thermal System – Cooling): Bu sistem motor, elektrik motoru, güç elektroniği ve diğer bileşenlerin uygun çalışma sıcaklığı aralığını korur.
• Çekiş Batarya Paketi (Traction Battery Pack): Elektrikli çekiş motorunun kullanması için elektriği depolar.
• Şanzıman (Elektrikli) (Transmission – Electric): Şanzıman, tekerlekleri hareket ettirmek için elektrikli çekiş motorundan gelen mekanik gücü aktarır.
EV (Elektrikli Araç – Electric Vehicle)
Elektrikli Araç (EV), şarj edilebilir bataryaları olan tamamen elektrikli bir araçtır. Bu bataryalar şebekeden şarj edilir ve benzin deposu olmadığı için aracın tek güç kaynağıdır. Bu araçlar BEV (Battery Electric Vehicles) olarak da adlandırılırlar.
HEV (Hibrit Elektrikli Araç – Hybrid Electric Vehicle)
Yakıtla çalışan standart bir araçta frenlemeden gelen enerji, ısıya dönüşerek kaybolur. Hibrit Elektrikli Araçlar hem elektrikli olarak hem de yakıtla çalışır.
Bataryalarına güç sağlayan enerji, rejeneratif frenleme yoluyla veya içten yanmalı motor kullanılarak sürüş sırasında elde edilir. Bu tür elektrikli araçlar prize takılarak şarj edilemez.
PHEV (Prize Takılabilir Hibrit Elektrikli Araç – Plug-in Hybrid Electric Vehicle)
PHEV hem içten yanmalı motora hem de elektrik motoruna sahiptir. Normal bir hibrit gibi, PHEV’ler bataryalarını rejeneratif frenleme yoluyla veya motorla şarj edebilir.
HEV ve PHEV arasındaki fark, PHEV’lerin bir şarj portuna sahip olmasıdır. Bu şekilde,
bir PHEV daha çok bir EV gibi çalışabilir, bataryası bittiği zaman şebekeden şarj edilebilir veya içten yanmalı motor devreye girebilir. PHEV bataryaları genellikle HEV bataryalarından daha yüksek kapasiteye sahiptir.
Elektrikli Araçlarda En Yaygın Olarak Kullanılan Batarya Kimyaları
Bir batarya hücresinin kimyası, istenen elektrik potansiyelini elde etmek için iki elektrot (anot ve katot) arasında elektron paylaşımını mümkün kılan, bataryadaki malzemelerin bir karışımıdır.
Elektronlar bir elektrottan diğerine gider ve bunun tersi de geçerlidir. Bu alanda pek çok farklı kimya tekniği mevcuttur var ve her biri farklı maliyetlerle gelen farklı malzemeler
kullanılmaktadır. Hücrenin kimyasının batarya maliyeti üzerinde büyük bir etkisi vardır.
Batarya, elektrikli bir araçtaki en pahalı parça olduğundan, üretim maliyetlerinin en aza indirilmesi söz konusu olduğunda önemli bir rol oynamaktadır.
Enerji Depolama Sistemleri Türleri
Aşağıdaki enerji depolama sistemleri tamamen elektrikli araçlarda, PHEV’lerde ve HEV’lerde kullanılmaktadır.
Lityum-İyon Bataryalar
Lityum-iyon bataryalar, diğer elektrik enerjisi depolama sistemlerine göre birim kütle başına yüksek enerjileri nedeniyle şu anda cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar gibi çoğu taşınabilir tüketici elektroniğinde kullanılmaktadır.
Ayrıca yüksek güçağırlık oranına, yüksek enerji verimliliğine, iyi yüksek sıcaklık performansına ve düşük kendi kendine deşarja sahiptirler.
Lityum iyon bataryalarının çoğu bileşeni geri dönüştürülebilir, ancak malzeme geri kazanımının maliyeti, endüstri için bir sorun olmaya devam etmektedir.
Bu alanda özellikle gelişmiş ülkelerde önemli uygulamalar yapılmaktadır, örneğin
ABD Enerji Bakanlığı, kullanılmış ve atılmış lityum iyon bataryaların nihai geri dönüşüm ve malzeme geri kazanımı için toplanması, sınıflandırılması, depolanması ve taşınmasına yönelik karlı çözümler geliştirmek ve göstermek için Lityum İyon Batarya Geri Dönüşüm Ödülünü de desteklemektedir.
Günümüzün tamamen elektrikli araçlarının ve PHEV’lerin çoğu, lityum iyon bataryaları kullanıyor, ancak bunların kimyası genellikle tüketici elektroniği bataryalarından farklıdır.
Nispeten yüksek maliyetlerini azaltmak, kullanım ömürlerini uzatmak ve aşırı ısınmaya
ilişkin güvenlik endişelerini gidermek için araştırma ve geliştirme çalışmaları devam etmektedir.
Nikel-Metal Hidrit Bataryalar
Bilgisayar ve tıbbi ekipmanlarda rutin olarak kullanılan nikel-metal hidrit bataryalar, makul özgül enerji ve özgül güç kapasiteleri sunar. Nikel-metal hidrit bataryalar, kurşun-asit bataryalardan çok daha uzun ömürlüdür, güvenlidir ve aşırı kullanıma dayanıklıdır.
Bu bataryalar, HEV’lerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Nikel-metal hidrit bataryalarla ilgili temel zorluklar; bu pillerin yüksek maliyetleri, yüksek kendi kendine deşarjı, yüksek sıcaklıklarda ısı üretmeleri ve hidrojen kaybının kontrolü ihtiyacıdır.
Kurşun-Asit Bataryalar
Kurşun-asit bataryalar, yüksek güçlü olacak şekilde tasarlanabilir ve ucuz, güvenli ve güvenilirdir. Bununla birlikte düşük özgül enerji, zayıf soğuk hava performansı, kısa takvim ve yaşam döngüsü gibi sorunları, bu tip bataryaların kullanımlarını engellemektedir.
Gelişmiş yüksek güçlü kurşun-asit bataryalar geliştirilmektedir, ancak bunlar piyasada bulunan elektrikli araçlarda yalnızca yardımcı güç olarak kullanılmaktadır.
Enerji Hücreleri ve Güç Hücreleri: Fark Nedir?
Bataryalar, daha fazla enerji depolamak (enerji hücreleri) veya daha fazla güç sağlamak (güç hücreleri) için optimize edilebilir.
Genel olarak, enerji hücrelerini daha büyük bataryalarda ve güç hücrelerini daha küçük
bataryalarda kullanmak mantıklıdır. Batarya büyüdükçe, toplam güç daha fazla sayıda hücre arasında paylaştırılır ve her hücrenin daha az güç sağlaması gerekir.
Örneğin, hibrit araçaların daha küçük bataryaları vardır ve genellikle güç hücrelerine ihtiyaç duyarlar. Güç hücreleri, güç ihtiyaçlarını karşılarken bataryanın küçük tutulmasına izin verir.
Ayrıca Formula E gibi yüksek performanslı elektrikli araçlarda da kullanılırlar. Aslında bunlar, düşük özerkliğe ve yüksek güç talebine sahip tüm araçlara iyi uyarlanmıştır.
Gücü Artırmak İçin Süper Kapasitörler ve Ultra Kapasitörler
Ultrakapasitörler, enerjiyi bir elektrot ve bir elektrolit arasındaki polarize bir sıvıda depolar. Süper kapasitörler ve ultra kapasitörler, enerji depolama sistemleri oldukları için bataryalara benzerler, ancak tamamen aynı değildirler.
Bataryalar enerji depolamak için kimyasal reaksiyonlar kullanırken, ultrakapasitörler
elektrostatik yük depolar. Sıvının yüzey alanı arttıkça enerji depolama kapasitesi artar. Ultra
kapasitörler, hızlanma ve yokuş tırmanma sırasında araçlara ek güç sağlayabilir ve frenleme enerjisinin geri kazanılmasına yardımcı olabilir.
Elektrokimyasal bataryaların yük gücünü dengelemesine yardımcı oldukları için elektrikli araçlarda ikincil enerji depolama cihazları olarak da yararlı olabilirler. Ultra kapasitörler, yüksek bir güç çıkışına sahiptir ve gücü artırmak için bataryalarla birlikte kullanılır.
Kısa sürede çok fazla güç sağlayabilirler ve bunu önemli bir bozulma olmadan yüzbinlerce kez yapabilirler. Ultra kapasitörler çok düşük enerji yoğunluğuna sahiptir, bu nedenle menzile katkıda bulunmazlar.
Ancak bir lityum iyon batarya paketiyle karıştırıldıklarında, güç ve enerji taleplerini çok iyi bir şekilde yönetirler. Özetle, ultrakapasitörler yüksek güç, bataryalar yüksek mesafeler için idealdir.
Bataryaların Geri Dönüşümü
Elektrikli araçlar nispeten yeni bir teknoloji olduğu için yalnızca küçük bir kısmı kullanım ömürlerinin sonuna yaklaşmıştır. Elektrikli araçlar giderek yaygınlaştıkça, batarya geri dönüşüm pazarı genişleyecektir.
Yaygın batarya geri dönüşümü, bataryanın hem kullanım ömrünün sonunda hem de üretimi sırasında tehlikeli maddelerin atık akışına girmesini önleyecektir.
Geri dönüşümden malzeme geri kazanımı, kritik malzemeleri tedarik zincirine yeniden dahil
edecek ve bu tür malzemeler için yerel kaynakları artıracaktır.
Araçlarda lityum-iyon ve diğer türdeki bataryaların kullanım ömrü üzerindeki etkilerini en
aza indiren batarya geri dönüşüm süreçlerinin geliştirilmesi için çalışmalar devam etmektedir.
Ancak tüm geri dönüşüm süreçleri aynı değildir ve malzeme geri kazanımı için farklı ayırma yöntemleri gerektirir, bunlar arasında aşağıdaki yöntemler öne çıkmaktadır.
Eritme: Eritme işlemleri temel elementleri veya tuzları geri kazanır. Bu işlemler artık büyük ölçekte çalışıyor ve lityum-iyon ve nikel-metal hidrit dahil olmak üzere çok sayıda bataryayı kabul edebiliyor.
Eritme, elektrolit ve karbon anotlar dahil olmak üzere organik malzemelerin yakıt veya indirgeyici olarak yakıldığı yüksek sıcaklıklarda gerçekleşir.
Değerli metaller geri kazanılır ve ürünün her türlü kullanıma uygun hale gelmesi için rafinasyona gönderilir.
Doğrudan geri kazanım: Bazı geri dönüşüm süreçleri doğrudan batarya sınıfı malzemeleri geri kazanır. Bileşenler, çeşitli fiziksel ve kimyasal işlemlerle ayrılır ve tüm aktif maddeler ve metaller geri kazanılabilir. Doğrudan geri kazanım, minimum enerji gereksinimi olan düşük sıcaklıkta bir işlemdir.
Ara prosesler: Üçüncü tip süreç bu iki uç arasındadır. Bu tür işlemler, doğrudan geri kazanımdan farklı olarak, birden çok türde batarya türünü kabul edebilir ve malzemeleri üretim zinciri boyunca, ergitme tekniğinden daha fazla bir şekilde geri kazanabilir.
Farklı türden batarya malzemelerinin ayrılma işlemi, genellikle yüksek değerli malzemelerin geri kazanılmasında bir engel oluşturmaktadır.
Bu nedenle, elektrikle çalışan araçların sürdürülebilirlik açısından başarılı olabilmesi için, sökme ve geri dönüşümü dikkate alan batarya tasarımı önemlidir.
Bataryaların, malzemelerin ve hücre tasarımının standartlaştırılması da geri dönüşümü daha kolay ve daha uygun maliyetli hale getirecektir.
Derleme ve Çeviri: B. Serhat Cengiz
Kaynakça:
• https://afdc.energy.gov/vehicles/how-do-all-electric-cars-work
• https://www.edfenergy.com/energywise/how-do-electric-cars-work
• https://afdc.energy.gov/vehicles/electric_batteries.html
• https://www.arenaev.com/ncm_nca_lfp_solidstate__ev_battery_chemistry_explained-news-343.php
• https://www.laserax.com/blog/ev-battery-cell-types
• https://www.euronews.com/my-europe/2023/03/28/in-win-for-germany-eu-agrees-to-exempt-e-fuelsfrom-
2035-ban-on-new-sales-of-combustion-en
• https://www.midtronics.com/blog/what-is-the-battery-differences-in-ev-hev-phev/
• Görseller: https://pixabay.com/
