Elektrikli araçlarda az miktarda nikel, manganez ve kobalt içeren lityum iyon piller kullanılır. Nasıl çalışırlar ve özelliklerini hangi kimya etkiler?
İklim değişikliğiyle mücadele hedefinin bir parçası olarak giderek daha fazla insan, benzinle çalışan muadillerine göre karbondioksit emisyonunun yalnızca küçük bir kısmını üreten elektrikli araçları kullanıyor.
Peki bu elektrikli araçlardaki piller nasıl çalışıyor ve bir elektrikli arabanın ne kadar ileri gidebileceğini ve ne kadar dayanabileceğini ne belirliyor?
Piller, iyonları veya yüklü parçacıkları, elektrot adı verilen iletken bir katının iki plakası arasında ileri ve geri karıştırarak enerji depolar. Bu elektrot malzemelerinin tam kimyasal bileşimi, ne kadar enerji depolayabilecekleri, ne kadar dayanabilecekleri ve kullanımdan sonra ne kadar hızlı şarj olacakları dahil olmak üzere pillerin özelliklerini belirler.
Daha da önemlisi, her elektrotun farklı bir malzemeden yapılması gerekir; böylece pilin pozitif ucu ile negatif ucu arasında voltaj olarak bilinen bir enerji farkı olur. Ancak her iki malzemenin de depolaması ve daha sonra pil kullanılırken bu yüklü parçacıkları bir elektrottan diğerine aktarması gerektiği için kimyasal yapılarında aynı tür iyon içermesi gerekir. Ancak hayati bir bileşen daha var: sıvının iletilmesi.
Kanada'daki Dalhousie Üniversitesi'nden enerji depolama uzmanı Jeff Dahn , "İki elektrot kesinlikle birbirine değmiyor. Eğer dokunurlarsa, herhangi bir yararlı enerji elde edemezsiniz ve pil sadece ısınır." dedi. "Böylece onları ayırıyorsunuz ve arasına aynı ortak iyonu içeren bir tür iletken sıvı olan bir elektrolit koyuyorsunuz."
Kablolar aküye bağlandığında devre tamamlanır, yüksek enerjili elektrottan (negatif terminal) gelen iyonlar elektrolit çözeltisinden düşük enerjili elektrota (pozitif terminal) doğru hareket eder. Aynı zamanda elektronlar da teller aracılığıyla negatiften pozitife doğru hareket eder. Yüklü parçacıkların bu kontrollü hareketi, sürücülerin aküden güç çekmesine olanak tanır.
Elektrikli araç aküleri nelerden yapılmıştır?
Elektrikli otomobiller genellikle lityum iyonlarını elektrotlar arasında taşıyan lityum iyon piller kullanır. Dahn, "Lityum-iyon piller oldukça inanılmaz özelliklere sahip. Çok kolay ayarlanabiliyorlar, dolayısıyla elektrotlar ve elektrolit için seçtiğimiz malzemeler aracılığıyla onları belirli bir uygulamaya uyacak şekilde tasarlayabiliyoruz" dedi. "Lityum-nikel-manganez-kobalt-oksit piller (NMC'ler) elektrikli otomobillerde kullanılıyor ve istediğiniz performansa bağlı olarak çok sayıda farklı türde sunuluyor."
Pozitif elektrotta özellikle nikel, manganez ve kobalt kullanılır ve bu metallerin kesin oranı pilin özelliklerini belirler. Araba üreticileri, müşterileri için en uygun aracı yaratmak için sürüş menzili, pil ömrü, ağırlık ve maliyet dahil olmak üzere pek çok rakip faktörle denge kurmak zorunda.
Hemen hemen tüm NMC pilleri aynı elektroliti ve negatif elektrodu kullanır. Ancak kimyagerler bu bileşenlere özel katkı maddeleri ekleyerek pilin özelliklerini daha da geliştirebilirler. Kimyasal oranlarının ayarlanması, şarj süreleri ve güvenli çalışma sıcaklıkları gibi özellikleri etkileyebilir .
Elektrikli araç menzilini ne belirler?
Peki kimya elektrikli bir aracın menzilini nasıl etkiliyor?
Dahn, "Yüksek oranda nikel size mükemmel bir enerji yoğunluğu verir - bu birim hacim başına enerji miktarıdır - böylece küçük bir pil için uzun bir menzile sahip olursunuz" dedi.
Enerji yoğunluğu, iki elektrot arasındaki voltaj ve malzemenin ne kadar lityum iyonu tutabileceği ile belirlenir. Nikelli elektrotlar, daha fazla lityum iyonunu toplayabilen bir kristal yapı oluşturur.
Dezavantajı mı?
Dahn, "Pahalıdır ve ömrü düşük nikelli malzemelerden daha kısa olacaktır (yine de diğer arabaların çoğundan daha uzun olmasına rağmen)" dedi. "Öte yandan manganez 20 kat daha ucuz, ancak "enerji yoğunluğu daha düşük olduğundan sürüş menziliniz daha az olacak."
Kobaltın rolü biraz daha karmaşıktır, ancak küçük bir miktarının elektrotların yüklü parçacıkları elektrolitle verimli bir şekilde değiştirmesine yardımcı olduğu düşünülmektedir.
Elektrikli araç aküleri ne kadar dayanır?
JD Power'a göre EV pilleri genellikle 10 ila 20 yıl dayanıyor . Ancak hem elektrolitte hem de elektrotlarda bulunan spesifik katkı maddeleri kullanım ömrünü uzatabilir. Etilen sülfat ve metilen metan disülfonat gibi kükürt içeren bileşikler ve lityum diflorofosfat gibi kompleks elektrolit tuzları, elektrotların kimyasal ve mekanik bozulmasını azaltır. Koruyucu bir katman, her elektrotun reaktif yüzeyini kaplar ve bu katkı maddeleri, genel pil verimliliğini artırırken bu savunmanın gücünü korur.
Bir pilin tipik olarak ne kadar şarj taşıdığı , şarj hızı ve sıcaklık gibi diğer faktörler pilin ömrünü etkileyebilir. Örneğin, bir arabayı %0 veya %100 şarjda tutmak veya yüksek hızlı şarj kullanmak genellikle ömrünü kısaltır. Bunun nedeni, bu faktörlerin aküyü zorlaması ve elektrotlar üzerindeki mekanik gerilimi arttırmasıdır. Bir pili her şarj ettiğinizde veya boşalttığınızda, voltaj farkı lityum iyonlarını kristal yapının içine veya dışına çeker. Dahn, ne kadar çok iyonun hareket etmesi gerekiyorsa, elektrotların kristal yapısının hasar görmesi ihtimalinin o kadar yüksek olduğunu söyledi.
0 Yorumlar