Aynı enerji tüketimi, pil takımının hacmi ve ağırlığının sıkı bir şekilde sınırlandırılması koşuluyla, yeni bir enerji aracının tek maksimum sürüş menzili esas olarak pilin enerji yoğunluğuna bağlıdır. Peki, pil enerji yoğunluğu nedir?
Enerji yoğunluğu, birim uzayda veya birim madde kütlesinde depolanan enerji miktarıdır. Bir pilin enerji yoğunluğu, pilin ortalama birim hacmi veya kütlesi tarafından salınan elektrik enerjisi miktarıdır ve genellikle iki boyuta ayrılır: ağırlık enerji yoğunluğu ve hacim enerji yoğunluğu.
Akünün ağırlık enerji yoğunluğu, şu formülle kolayca hesaplanabilir: Nominal voltaj (V) * Nominal kapasite (Ah) / Akü ağırlığı (kg) = özgül enerji veya enerji yoğunluğu (Wh/kg).
Farklı tipteki şarj edilebilir pillerin enerji yoğunlukları aşağıdaki gibidir:
- Kurşun asitli akünün enerji yoğunluğu 50-70 Wh/kg arasında değişmektedir;
- Nikel-kadmiyum pilin enerji yoğunluğu 50-80 Wh/kg arasında değişmektedir;
- Nikel-metal hidrit pilin enerji yoğunluğu 60-140 Wh/kg arasında değişmektedir;
- Lityum-iyon pilin enerji yoğunluğu 150-300 Wh/kg arasında değişmektedir;
Kurşun-asit aküler düşük enerji yoğunluğuna sahiptir. 200 km'den fazla bir mesafe boyunca bir aile arabasını sürmek için kullanılırlarsa, elektrikli araçlar için güç kaynağı olarak kullanılmak üzere çok ağır olan yaklaşık 1 ton aküye ihtiyaç duyarlar. Bir diğer neden ise Pb'nin toksik olması, çevre dostu olmaması ve kurşun-asit akülerin çevrim performansının zayıf olmasıdır. Oysa lityum-iyon akülerin enerji yoğunluğu yaklaşık 150~300Wh/kg'dır, bu da kurşun-asit akülerinkinden çok daha yüksektir, çevrim performansı da aynıdır, bu nedenle lityum-iyon aküler yeni enerjili elektrikli araçların geliştirilmesi için en iyi seçimdir.
Şu anda, piyasada yüksek enerji yoğunluklu lityum piller için iki ana teknik rota bulunmaktadır: Ekonomik LiFePO4 piller ve Orta ila yüksek uç Lityum Nikel Manganez Kobalt Oksit (NMC) piller. 2015 yılında, LiFePO4 piller pazarın ana akımıydı. O zamanlar, piyasadaki çoğu LiFePO4 pil sisteminin enerji yoğunluğu 70-90 Wh/kg civarındayken, NMC pillerin enerji yoğunluğu çok daha yüksekti ve 130 Wh/kg'a ulaşıyordu. Sürüş menziline duyarlı binek otomobil pazarını hızla açabilmek için, Çin hükümeti ilk olarak 2016 yılında yeni enerji aracı sübvansiyon politikasında pil enerji yoğunluğunu referans göstergesi olarak almayı önerdi. Enerji yoğunluğu ne kadar yüksekse, o kadar fazla sübvansiyon sağlanır. LiFePO4 pillerin ve NMC pillerin pazar yapısı değişmeye başladı ve büyük otomobil şirketleri NMC pillerini büyük ölçekte değiştirmeye başladı. Haziran 2019'dan bu yana, sübvansiyonların geri çekilmesi ve NMC lityum pillerin yüksek üretim maliyetiyle birlikte, LiFePO4 piller pazardaki ana enerji çözümü haline geldi. Pazar gelişimine uyum sağlamak için, tüm büyük pil üreticileri LiFePO4 + NMC'nin iki hatlı stratejisini başlattı. Şimdi LiFePO4 pil 210Wh/kg enerji yoğunluğuna ulaştı.
Lityum pillerin enerji yoğunluğunu ne sınırlar?
Bir lityum pilin dört temel parçası vardır: anot, katot, elektrot ve diyafram, bunların hepsi pilin enerji yoğunluğunu etkiler. Ve elektrotlar kimyasal reaksiyonların meydana geldiği yerlerdir. Pillerin enerji yoğunluğunu iyileştirmenin anahtarı yeni elektrot malzemeleri geliştirmek ve üretim süreçlerini iyileştirmektir.
Yukarıdakilerden, LiFeO4 ve üçlü malzeme Ni Co Mn'den oluşan lityum pillerin enerji yoğunluğunun çok farklı olduğunu biliyoruz. Üçlü malzemelerdeki farklı Ni, Co ve Mn oranları da pil performansında farklılıklara neden olacaktır. Ni oranı ne kadar yüksekse, pilin özgül kapasitesi o kadar yüksek olur. Şu anda tanıtılan yüksek Ni pozitif katot sistemli pillerin kütle enerji yoğunluğu 240-300 Wh/kg arasındadır (hacim enerji yoğunluğu 560 Wh/L-650 Wh/L).
Lityum pil pazarındaki ana akım anot malzemesi esas olarak grafittir (karbon bazlı malzeme), ancak karbon bazlı malzemelerin mevcut enerji depolaması teorik üst sınıra yakındır. Silikon bazlı anot malzemelerinin özgül kapasitesi 4200mAh/g'a ulaşabilir, bu da 372mAh/g'lık grafit anotların teorik özgül kapasitesinden çok daha yüksektir. Silikon karbon anotun piyasaya sürülmesiyle, pil hücresinin kütle enerji yoğunluğu 300-400Wh/kg'a (hacim enerji yoğunluğu 630Wh/L-750Wh/L) yükseltilecek ve böylece grafit anot için güçlü bir ikame haline gelecektir.
Lityum iyon piller için yüksek enerji yoğunluğu, birim hacim başına daha fazla aktif Li+ olduğu ve keskin lityum dendritleri oluşturma olasılığının daha yüksek olduğu anlamına gelir. Diyaframı delmek ve pilin kısa devre yapmasına veya patlamasına neden olmak kolaydır. Bu nedenle, yüksek enerji yoğunluğunun peşinde koşarken, güvenlik koruma önlemlerini de güçlendirmemiz gerekir:
- Anot ve katot malzemesini iyileştirin, elektrolitlere alev geciktirici ekleyin, vb.;
- Pilin kullanım koşullarına dikkat edin, koruyucu yapıyı, alev geciktirici tasarımı, aşırı akım korumasını vb. güçlendirin;
- BMS sistem kontrolünü sürekli olarak yükseltin.
