Elektrik Bataryaları Nasıl Çalışır? Özelliklerini Neler Etkiler?

İklim değişikliğiyle mücadele hedefinin bir parçası olarak giderek daha fazla kişi, benzinle çalışan alternatiflerine göre çok daha az karbondioksit emisyonuna neden olan elektrikli araçlar kullanıyor. Peki, bu elektrikli araçlarda bulunan bataryalar nasıl çalışıyor? Bir elektrikli aracın ne kadar mesafe katedebileceğini ve ne kadar süre dayanacağını hangi etmenler belirliyor?

Elektrikli Araç Bataryaları Nasıl Çalışır?

Bataryalar, elektrot adı verilen iletken bir katının iki plakası arasında iyonları veya yüklü parçacıkları hareket ettirerek enerji depolar. Elektrot malzemelerinin kimyasal bileşimi; ne kadar enerji depolayabilecekleri, ne kadar süre çalışabilecekleri ve kullanım sürecinden sonra ne kadar hızlı şarj olacakları gibi özellikleri belirler.

Daha da önemlisi, her elektrotun farklı bir malzemeden imal edilmiş olması gerekmektedir. Bu, pilin pozitif tarafı ile negatif tarafı arasında voltaj olarak da bilinen bir enerji farkı yaratır. Ancak her iki malzeme de kimyasal yapılarında aynı türden iyon içermelidir. Bunun sebebi, malzemelerin bu iyonları depolamaları ve daha sonrasında pil kullanılırken bu yüklü parçacıkları bir elektrottan diğerine aktarmalarıdır. Bunlara ek olarak, hayati önem taşıyan bir madde daha vardır: iletken sıvı. Kanada'da yer alan Dalhousie Üniversitesi'nde enerji depolama uzmanı olan Jeff Dahn, Live Science'a verdiği ropörtajda konu hakkında şunları söylüyor:

İki elektrot birbirine asla temas etmiyor. Eğer temas etselerdi işe yarar bir enerji elde edemezdiniz ve pil ısınırdı. Bu yüzden onları ayrı tutuyoruz ve aralarına aynı ortak iyonu içeren bir tür iletken sıvı olan elektrolit koyuyoruz.

Kablolar bataryaya bağlanıp devre tamamlandığında, yüksek enerjiye sahip olan elektrotta (negatif kutup başı) bulunan iyonlar, elektrolit sıvı çözeltisi boyunca düşük enerjili elektrota (pozitif kutup başı) doğru hareket etmeye başlarlar. Bu süreçte, elektronlar da teller aracılığıyla negatif kutuptan pozitif kutba doğru hareket eder. Yüklü parçacıkların kontrollü olan bu hareketi, sürücülerin bataryadan güç çekmesini sağlar.

Elektrikli Araç Bataryaları Hangi Malzemelerden Üretilir?

Elektrikli araçlarda genellikle elektrotlar arasında lityum iyonları taşıyan lityum iyon piller kullanılır. Dahn, konu hakkında şunları söylüyor:

Lityum iyon piller oldukça etkileyici özelliklere sahiptir. Çok iyi bir şekilde özelleştirilebilirler, bu sebeple elektrotlar ve elektrolit için malzeme seçimimiz sayesinde onları belirli bir sisteme uyacak şekilde tasarlayabiliriz. Lityum nikel manganez kobalt oksit piller (NMC) elektrikli araçlarda hali hazırda kullanılıyor ve istediğiniz performansa göre değişen pek çok çeşidi bulunuyor.

Özellikle nikel, manganez ve kobalt; pozitif elektrotta kullanılır ve bu metallerin oranı bataryanın özelliklerini şekillendirir. Otomobil üreticileri; müşterileri için en uygun aracı üretmek amacıyla sürüş menzili, batarya ömrü, ağırlık ve maliyet gibi birbiriyle rakip olan faktörü dengede tutmak zorundadır.

Neredeyse bütün NMC bataryaları aynı elektrolit ve negatif elektrotu kullanır. Ancak, kimyagerler bu bileşenlere çeşitli katkı maddeleri ekleyerek batarya özelliklerini değiştirebilirler. Bu kimyasal özelliklerin değiştirilmesi, şarj süreleri ve güvenli çalışma sıcaklıkları gibi özellikleri de değiştirebilir.

Elektrikli Araçların Sürüş Menzilini Ne Belirler?

Peki, kimya bilimi elektrikli bir aracın menzilini nasıl etkiliyor? Dahn, konu hakkında şunları söylüyor:

Yüksek oranda nikel kullanmak size harika bir enerji yoğunluğu sağlar. Enerji yoğunluğu, birim hacim başına düşen enerji miktarıdır. Böylece küçük bir batarya ile uzun bir menzile sahip olabilirsiniz.

Enerji yoğunluğu, iki elektrot arasındaki voltajın ve malzemenin kaç lityum iyonu tutabileceğine göre hesaplanır. Nikel içeren elektrotlar daha fazla lityum iyonu bulundurabilen bir kristal yapı oluşturur. Dahn, bunun dezavantajlarını şöyle açıklıyor:

Nikel; pahalı bir malzemedir ve kullanım ömrü, düşük nikel bulunduran malzemelere göre daha kısa olacaktır. Tabii ki, yine de diğer araçların çoğundan daha uzun bir kullanım ömrü olacaktır. Öte yandan, manganez 20 kat daha uzudur. Ancak, enerji yoğunluğu daha düşüktür. Bu sebeple de sürüş menziliniz daha kısa olacaktır.

Kobaltın rolü ise biraz daha komplikedir. Ancak, az bir miktarının elektrotların yüklü parçacıklarının elektrolit aracılığı ile verimli bir şekilde yer değiştirmesine yardımcı olduğu düşünülmektedir.

Elektrikli Araç Bataryaları Ne Kadar Süre Kullanılabilir?

J. D. Power'a göre elektrikli araç bataryaları tipik olarak 10 ila 20 yıl kullanılabilmektedir. Bununla beraber hem elektrolit hem de elektrotlarda kullanılan spesifik katkı maddeleri kullanım ömrünü uzatabilir. Hem etilen sülfat ve metilen metan disülfonat gibi sülfür içerikli bileşikler hem de lityum diflorofosfat gibi kompleks elektrolit tuzları, elektrotların kimyasal ve mekanik bozulmasını azaltmaya yardımcı olmaktadır. Koruyucu bir tabaka, her elektrotun reaktif yüzeyini kaplar. Bu katkı maddeleri, genel batarya verimliliğini artırırken savunmanın gücünü korur.^[1]

Bir bataryanın tipik olarak ne kadar şarj depoladığı, şarj olma hızı ve sıcaklık gibi diğer faktörler bataryanın ömrünü etkileyebilir. Örneğin, bir aracı %0 veya %100 şarjda tutmak veya yüksek hızlı şarj araçları kullanmak tipik olarak kullanım ömrünü kısaltabilir. Bunun sebebi, bu faktörlerin bataryayı zorlaması ve elektrotlar üzerinde bulunan mekanik baskıyı artırmasıdır. Bir bataryayı her şarj edişinizde ve boşaltışınızdaki voltaj farkı, lityum iyonlarını kristal yapının içine veya dışına doğru çeker. Dahn; ne kadar çok iyon hareket etmek zorunda kalırsa elektrotların kristal yapısının zarar görme ihtimalinin de o kadar artacağını söylüyor.