Küçük Bir Değişiklik Elektrikli Araç Pil Ömrünü Nasıl Drastik Olarak Uzatabilir

[™ Admin]

Küçük Bir Değişiklik Elektrikli Araç Pil Ömrünü Nasıl Drastik Olarak Uzatabilir

Pil ömrü, elektrikli araçların (EV'ler) kitle pazarı araçları olarak başarısında önemli bir faktördür. Piller, EV'lerin çekirdeğini oluşturur ve maliyetlerini ve dolayısıyla tüketici çekiciliğini doğrudan etkiler. Daha uzun ömürlü bir pil, daha az değiştirme anlamına gelir, bu da sahip olma maliyetini olumlu yönde etkiler ve çevresel etkiyi azaltır.

Otomotiv dünyası EV'lerin yaygın bir şekilde benimsenmesine doğru hızla ilerlerken, uzun süreler boyunca yüksek performansı sürdürebilen pillere olan talep artmaktadır. İlk şarj döngülerini veya oluşumunu optimize etmek, pilin iç yapısını stabilize etmek ve daha uzun ömürlü EV'lerin önünü açmak, tüketicilere daha uzun ve daha sürdürülebilir mobilite çözümleri sunmak için kritik öneme sahiptir.

İdeal performans ve uzun ömür için bir içten yanmalı motoru "alıştırmanız" gerektiği gibi, aynı nedenlerle bir EV pilini de biçimlendirmeniz gerekir. Son zamanlarda yapılan bir çalışma, pil oluşumu için mevcut sürecin ideal yol olmayabileceğini gösteriyor.

Size mümkün olan en güncel ve doğru bilgileri sunmak için, bu makaleyi derlemek için kullanılan veriler Joule ve ScienceDirect dahil olmak üzere çeşitli üretici web sitelerinden ve diğer yetkili kaynaklardan alınmıştır.

Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki araştırmacılar EV sektörünü sonsuza dek değiştirmiş olabilir. Şu ana kadar bildiklerimiz şunlar.

EV Pillerinin Biçimlendirilmesinde Basit Bir Değişiklik Ömürlerini Uzatabilir

SLAC-Stanford Pil Merkezi, Toyota Araştırma Enstitüsü, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) ve Washington Üniversitesi'nden bilim insanlarının yakın zamanda gerçekleştirdiği bir pil atılımı, EV pillerinin oluşum süreci sırasında alışılmadık derecede yüksek akımlar kullanmanın ömürlerini ve performanslarını önemli ölçüde artırabileceğini gösteriyor.

Geleneksel olarak, pil oluşumu pilin iç yapısını stabilize etmek için yavaş şarj ve deşarj döngüleri içerir, bu da yeni pillerin (ve dolayısıyla yeni EV'lerin) piyasaya çıkmasını geciktiren ve aslında pil için o kadar iyi olmayabilecek zaman alıcı ve enerji yoğun bir yöntemdir.

Daha Hızlı Kontrollü Şarj Pil Dayanıklılığına Yardımcı Olur

Pillerin kontrollü şarj edilmesi ve boşaltılması, zamanla doğal olarak bozulan pilin lityumunu stabilize etmek için koruyucu bir bariyer görevi gören pozitif elektrot üzerinde sağlam bir katı elektrolit ara faz (SEI) tabakasının oluşmasına yardımcı olur.

Araştırmacılar, aynı yaşlanma modeli üzerinde 62 oluşum protokolü kullanarak lityum iyon pilleri 186 kez şarj edip boşalttılar ve bir EV pilinin ömrünün ilk aşamalarında daha hızlı, kontrollü şarj ve boşaltma teknikleri için daha yüksek akımlar kullanmanın ömrünü ortalama %50 ve %70'e kadar artırabileceğini keşfettiler.

Araştırmacılar bu erken süreci optimize ederek, kapasitelerini ve performanslarını daha uzun süre koruyan piller üretebildiler ve bu da nihayetinde elektrikli araçların verimliliğini ve ömrünü artıracaktı.

Pil Oluşumu Şu Anda Nasıl Gerçekleştiriliyor

EV lityum iyon pillerinin fabrikadaki mevcut oluşum süreci, lityum iyonlarının yavaşça akarak kararlı bir SEI tabakası oluşturmasına izin vermek için düşük bir akımla başlayan bir dizi kontrollü şarj ve deşarj döngüsünü içerir. Yavaş yavaş, hücrenin iç yapısını koşullandırmak ve kapasiteyi optimize etmek için daha yüksek akımlar tanıtılır. Süreç birkaç saatten birkaç güne, bazen iki haftaya kadar sürebilir ve EV sahibine EV'nin ömrü boyunca ve hatta belki de ötesinde etkili bir şekilde hizmet vermeye hazır ve kararlı bir pil ile sonuçlanır.

Daha Yüksek Akım Döngüsü Oluşumunun Pil Ömrünü Nasıl Etkilediği

SEI katmanını dikkatlice oluşturan geleneksel düşük akımlı şarj ve deşarj döngüleri zaman alıcıdır ve doğal olarak EV'lerin fabrikadan çıkma hızını yavaşlatır. Daha yüksek bir başlangıç akımı kullanmak, SEI katman kalitesinden ödün vermeden bu oluşum süresini tahmini %30 ila %50 oranında önemli ölçüde azaltabilir.

Araştırmacılar, daha yüksek akımın kullanılmasının pozitif ve negatif elektrotlar (sırasıyla anot ve katot) arasındaki lityum iyon akışını hızlandırdığını ancak SEI katmanını daha az sağlam hale getirmediğini buldular; bu da pilin ömrünün ve performansının yeni işlemlerle artırılabileceği ve EV'lerin hatlardan daha yüksek bir oranda çıkabileceği anlamına geliyor.

Tesla, EV geliştirmede dünya lideri oldu ancak Apple gibi, teknolojisinin onarımını da gizli tuttu.

Pil Oluşumunun Performans ve Uzun Ömürlülüğü Nasıl Etkilediği

Pil oluşumu, pil kapasitesi ve uzun ömürlülüğü için çok önemlidir ve üretim verimliliğini ve maliyetlerini, tüketici memnuniyetini ve güvenini etkiler. Nasıl gerçekleştirildiği birbiriyle dengelenir ve optimize edildiğinde kazan-kazan senaryosu yaratır.

Pil Oluşumu Nasıl Çalışır

Kontrollü şarj/deşarj döngüleri

Birden fazla döngü gerektirir

Zaman yoğun işlem

Bir pilin şarj ve deşarj oranları C oranlarında ölçülür, burada pilin kapasitesi genellikle 1C olarak derecelendirilir - yani 1Ah olarak derecelendirilen tam şarjlı bir pil bir saat boyunca bir amper veya kesirli olarak bir saatin onda biri boyunca 10 amper sağlamalıdır. SEI katmanının kararlı oluşumunu sağlamak için, lityum iyon piller genellikle 0,1C-0,3C'lik düşük bir oranda veya 10 saat boyunca bir amperin onda biri oranında, dört saat boyunca bir amperin 3/10'u oranında şarj edilir. Bu döngü genellikle üç ila beş kez tekrarlanır.

Bu nedenle, en iyi senaryoda, işlemin tamamlanması yaklaşık 24 saat sürecek ve çoğu durumda pil başına 72 saate yakın sürecektir, ancak bu belirli pil kimyasına ve istenen sonuçlara bağlıdır. İşlem bir haftaya veya daha uzun bir süreye uzayabilir, ancak bu lityum iyon pillerin ölümün eşiğinde olduğu anlamına gelmez.

Şarj/Deşarj Döngüsünü Hızlandırma

Şarj/deşarj döngüsünün etkinliğini ölçmek ve pil oluşumu için optimum oranı bulmak amacıyla, SLAC-Stanford çalışması farklı akımlarda 186 döngü gerçekleştirdi ve ilk şarj 20 dakikada (3C ila 4C şarj oranı) gerçekleştirilirse, anında yaşanan kayıpların uzun vadeli kazanımlarla fazlasıyla telafi edileceğini buldu.

Hemen fark edilen kazanç, birincil yenilenemeyen kaynağımız olan zamandır; bu ilk döngüyü neredeyse yarıya indirmek daha fazla pilin biçimlendirilmesine ve arabaların daha hızlı bir oranda piyasaya sürülmesine yardımcı olacaktır. Zamanın uçmasından bahsetmişken, ilk lityum iyon pil üretim tesisinin açılmasının üzerinden yaklaşık 15 yıl geçti.

Samsung, 600 mil menzile sahip EV'ler için katı hal pilini sergiliyor ve dokuz dakikalık şarj ve 20 yıllık kullanım ömründen bahsediyor.

Düşük Oranlı Pil Oluşumunun Arkasındaki Mantık

Düşük şarj ve deşarj oranlarının nedeni, SEI katmanının daha yavaş oluşumunun iki şeyi yaptığına dair uzun süredir devam eden inançtır. Kullanımın doğal bir yan ürünü olan lityum kaybını yavaşlatır ve lityum kaplamayı önler, bu da kulağa geldiği gibi, yani plakalara dönüşen lityumdur.

Lityum kaybı ne kadar fazlaysa, pil ömrü o kadar kısadır ve tüketiciler için bir endişe kaynağıdır. Zamanla lityum kaplamanın oluşturulması SEI katmanına zarar verebilir ve daha fazla lityum kullanarak yeniden oluşmasına neden olabilir. Her iki durumda da pil ömrü zarar görür. Ancak, son çalışmalar oluşum sırasında lityum kaplamanın performansı ve güvenliği olumsuz etkilemediğini göstermiştir. Ve Toyota destekli çalışma, 186 döngü testinde, pil kullanımının erken aşamalarında lityum kaybının da mutlaka kötü bir şey olmadığını ileri sürmüştür.

Düşük Oranlı Pil Oluşumu İnancını Dağıtmak

Toyota destekli çalışma, pilleri çeşitli şarj oranlarında şarj etme ve boşaltma konusundaki kapsamlı deneyinden, pillerin ilk yüksek akım şarjından sonra (geleneksel yöntem yaklaşık yüzde dokuz tüketiyordu) lityumunun yüzde 30'una kadarını kaybettiğini gösterdi, bu kötü, değil mi? Eh, ille de değil.

Sürekli değişen lityum iyon pil evriminin son aşamasında, çalışma harcanan lityumun çoğunun katotta bir SEI tabakası oluşturmaya gittiğini ortaya koydu. Bu tabaka, pillerin yaşlandıkça lityum içeriklerini katlanarak daha hızlı kaybettiği yerdir. Bu tabaka, pilin ömrünün ilerleyen dönemlerinde lityum kaybını %50'ye kadar, bazı durumlarda ise %70'e yakın bir oranda yavaşlatacaktır.

Çalışmadaki bilim insanları bunu, ağzına kadar su dolu bir kovayı uzun bir mesafe taşımaya benzetiyor - başlangıçta sıvının %30'unu dökerseniz, kovayı mesafe boyunca taşımak daha kolay olacak, dökülen sudan daha azını kaybedecek ve hatta daha fazla su kaybetmeden beklenen mesafeden daha uzağa bile gidebileceksiniz.

Uzun Vadeli Pil Performansı İçin Başlangıçta Hızlı Şarj Etmenin Faydası

SLAC-Stanford çalışmasına göre, başlangıçta bir EV lityum iyon pilini hızlı bir 3C hızında şarj etmek (NASA'nın bazı fütüristik çözümleri kadar hızlı olmasa da) uzun vadeli performans için önemli faydalar sunar çünkü pilin elektrotlarını korumak ve zamanla pili bozan istenmeyen yan reaksiyonları en aza indirmek için çok önemli olan daha düzgün bir SEI tabakası oluşturmaya yardımcı olur,

Hızlı Şarj Etmenin Kısa Vadeli Performans Üzerindeki Etkisi

Bir EV lityum iyon pilini sürekli olarak yüksek bir hızda şarj etmek kesinti süresini azaltabilir, ancak bunun bir bedeli vardır, çünkü daha fazla ısı ürettiği ve verimliliği ve kapasiteyi azaltan lityum kaplamayı teşvik ettiği için kısa vadede performansını önemli ölçüde etkiler. Uzmanlar, optimum pil sağlığı için hızlı şarjı daha yavaş şarj döngüleriyle dengelemeyi öneriyor.

Kanada, pil tedarik zinciri sıralamasında en üst sırayı alıyor, ancak Kuzey Amerika pazarı alt üst etmeye çalışırken Çin baskın oyuncu olmaya devam ediyor.

Daha Fazla Pil Araştırmasına İhtiyaç Duyulmasının Tartılması

Toyota destekli SLAC-Stanford gibi çalışmalar, pillerin ve EV'lerin üretimini hızlandırmaya, bir pilin anlık gücünü ve verimliliğini iyileştirmeye ve yıllarca kullanım boyunca kapasitesini korumasına yardımcı olan teknolojiler ve süreçler hakkında daha fazla araştırma yapılması gerektiğini vurgulamaktadır.

Bu dengeyi sağlamak, malzeme bilimindeki gelişmelerden elektrolit kimyasına ve pil yönetim sistemlerine kadar tüm alanlarda iyileştirmeler gerektirecektir. Genel sistemin bu bölümlerinde yapılacak iyileştirmeler, performanstan ödün vermeden pil ömrünü uzatmanın anahtarı olan sağlam bir SEI'nin oluşumuna yardımcı olacaktır.

Tüketicileri Eğitmek Ayrıca Uzun Ömürlü EV Kullanımına Yardımcı Olacaktır
Tüketicileri lityum iyon pilin kontrollü ilk hızlı şarjının faydaları hakkında eğitmek de çok önemlidir. Bu ilk yüksek şarj oranının güç ve menzilde geçici eksikliklere neden olabileceğini anlamak, pil ömrünü uzatma uzun vadeli hedefine doğru stratejik bir adımdır. Pil sağlığına erken yatırım yapmak, zamanla kapasite kaybını önemli ölçüde azaltabilir ve daha uzun ömürlü, daha güvenilir bir EV'ye yol açabilir.

Kaynak: TopSpeed