Enerji
Mobilitenin Geleceği – Battery Tech
Elektrikli Araçların Yükselişi
Tesla 2003 yılında kurulduğunda elektrikli otomobil fikri çoğunlukla bir şaka olarak görülüyordu. O noktada, her elektrikli otomobil aslında zayıf akü menzili, düşük konfor, küçük boyut ve çok düşük son hıza sahip, övülen bir golf arabasıydı.
Tesla Roadster (1st olarak nesil 2026'da yeni bir versiyon bekleniyor) lüks bir spor otomobilin performansıyla bu algıyı tamamen değiştirdi ve elektrikli otomobilleri (EV'ler) bir anda havalı hale getirdi.
EV'leri birdenbire uygulanabilir kılan en önemli kısım, pil teknolojisindeki ilerlemeydi. İlk başta bu, küçük elektronik pazarı için tasarlanmış lityum iyon pillerin arkasında yer alıyordu. Ve çok geçmeden elektrikli araçlara daha fazla özerklik kazandırmak için daha özel sistemler geliştirildi.
Elektrikli otomobiller (EV'ler), 2016'da bile küçük bir hacimden şu anda küresel satışların katlanarak büyüyen bir parçası; 10'de 2022 milyondan fazla elektrikli otomobil satıldı; bu, Çin ve Avrupa'nın başı çektiği küresel satışların %14'ü anlamına geliyor.
Küresel EV satışları – Kaynak: IEA
Yine de bu ilerlemeye rağmen elektrikli araçların benimsenmesiyle ilgili bazı sorular hala yanıt bekliyor. Elektrikli araç satışları, yüksek enflasyon ve yalnızca erken benimseyenleri değil, genel halkı ikna etme ihtiyacı nedeniyle yavaşladı. Bu son zamanlarda yol açtı GM, Ford veya Honda gibi büyük üreticiler tarafından EV stratejisinin ertelenmesi veya iptal edilmesi.
Mevcut Sınırlamalar
İlk EV meraklıları, daha karbon nötr olabilecek ve yeni bir teknolojiyi temsil eden araçları kullanmaktan mutluydu. Çevreyle daha az ilgilenen alıcılar, çeşitli nedenlerden dolayı hâlâ elektrikli araçlara şüpheyle yaklaşıyor:
- Fiyat: Çoğu EV'nin maliyeti hala içten yanmalı motor (İçten Yanmalı Motor) eşdeğerinden daha pahalıdır. Faiz oranlarının artmasıyla birlikte bu, elektrikli araçları birçok insan için çok pahalı hale getirebilir.
- Menzil kaygısı: Bir EV'nin fiyatını düşürmenin bir yolu, daha küçük pil paketi seçeneğini seçmektir. Ancak daha düşük menzil, uzun yolculukları zorlaştırabilir ve şarj süresi de uzun olabilir.
- Soğuk hava: İklim ne kadar soğuk olursa akülere o kadar zarar verir. Çoğu elektrikli aracın sıcak bir garajda olmadığı kış gecelerinde şarjda kalması gerekir. Ayrıca soğuk, EV'lerin teorik menzilini azaltır.
- Şarj altyapısı: Yeterli miktarda halka açık şarj istasyonu yoksa, apartmanlarda yaşayan insanlar elektrikli araçlarını şarj etmekte zorlanabilirler. Uzun kuyruklar, yavaş şarj veya yakınlarda istasyon bulunmaması kötü bir deneyime neden olabilir.
- Pil güvenliği ve dayanıklılığı: Lityum iyon piller çok fazla enerji depolar. Ve aküdeki elektrolitler oldukça yanıcıdır. Bu, özellikle yer altı otoparkı gibi kapalı ortamlarda pilleri potansiyel olarak bir güvenlik tehlikesi haline getirir. ICE arabalarının yanıcı olmadığı söylenemez ama yine de bir endişe kaynağıdır.
- Elektrikli ızgara: EV alıcıları için pek endişe verici olmasa da, bir bütün olarak sektör için sorun haline gelebilir. Elektrik şebekeleri zaten bir miktar gergin durumda ve yeniden şarj edilmesi gereken milyonlarca aracın üstesinden gelmeyebilir. Elektriğin kaynağı da bir sorun; büyük bir kısmı kömür de dahil olmak üzere fosil yakıtlardan geliyor.
Mevcut elektrikli araçlarla ilgili sorunların çoğu, daha iyi pillerle çözülebilir. Yavaş şarj, çok düşük menzil, güvenlik sorunları, soğuğa duyarlılık ve eşit fiyat, mevcut lityum iyon pillerin özellikleridir.
Araştırmacılar ve endüstri liderleri, ya mevcut tasarımı iyileştirerek ya da pil üretmenin tamamen yeni yollarını icat ederek bu eksiklikleri çözmek için çok çalışıyorlar.
Genel olarak, daha yoğun piller daha ucuz, daha güvenli, aynı zamanda daha uzun süre dayanma ve daha hızlı şarj olma olasılığı daha yüksek piller anlamına gelir.
Lityum Pillerin Geliştirilmesi
İlk adım, mevcut pilleri iyileştirmek ve bu teknolojiyle ilgili bilgi ve deneyim zenginliğinden yararlanmaktır. Bazı araştırmacılar mevcut pil neslinin 2030 yılına kadar aşamalı olarak geliştirilebileceğini düşünüyor: "Lityum iyon piller ve ötesine yönelik beklentiler: 2030 vizyonu anlayışının sonucu olarak, buzdolabında iki üç günden fazla durmayan küçük şişeler elinizin altında bulunur.
İlk bölüm, iyileştirmeyi amaçlamaktadır. katot Şu anda çoğunlukla lityum ve lityum iyon pillerdeki nikelden yapılmış olan pilin bir kısmı. Pil eskidiğinde kristal yapının ve kimyasal değişimin daha iyi anlaşılması, pillerin tüm özelliklerini iyileştirebilir.
anotlarŞu anda grafitten yapılmış olanların yerini 5 ila 10 kat daha fazla enerji yoğunluğuna sahip silikon veya silikon oksit alabilir. Silikon anotlar çok çabuk "yaşlanmaya" eğilimli olduğundan bu şimdiye kadar zor oldu. Grafit-silikon karışımları halihazırda daha yaygın hale geliyor ve pillerin toplam enerjisinin artmasına yardımcı olabilirler.
Değiştirme elektrolitler anot ve katodu bağlamak da yardımcı olabilir. Yeni tip sıvı solventler, daha konsantre elektrolitler ve hatta jel benzeri elektrolitler güvenlik profilini iyileştirebilir ve pil yoğunluğunu artırabilir.
Son olarak, bir daha iyi tasarım piller ve EV'ler arasındaki ilişkiyi optimize etmek için bir seçenektir. Birçok EV üreticisi sözde kullanmaya başlıyor yapısal piller Bunlar hem enerji depolama hem de aracın yapısal bileşenleridir. Bu, toplam araba ağırlığını azaltarak daha fazla verimlilik ve menzil sağlayabilir. Rolls-Royce, Tesla ve Volvo, menzili %16 artırabilecek bu fikir üzerinde zaten çalışıyor.
Katı Hal Piller
Uzun süre teorileştirildi ve laboratuvarlarda yavaş yavaş gerçeğe dönüştü. katı hal piller genellikle pil teknolojisinin Kutsal Kasesi olarak tanımlanır.
Buradaki fikir, sıvı elektrolit ihtiyacını tamamen ortadan kaldırarak pilin ağırlığını büyük ölçüde azaltmak ve yoğunluğunu önemli ölçüde artırmaktır. Yanıcı elektrolitin çıkarılması aküyü çok daha güvenli hale getirecektir. Elektrolitin uzaklaştırılması aynı zamanda üretim sürecini de basitleştirecektir; çıkarma Üretim hattında 3 haftaya kadar.
Son olarak, bu tür tasarımlar 3-5 dakika içinde veya bir arabaya benzin ikmali yapmakla hemen hemen aynı sürede neredeyse tamamen yeniden yükleme vaat ediyor.
Pek çok şirket, 2026-2029 gibi yakın bir zamanda kendi katı hal pil versiyonlarını piyasaya sürmekten bahsediyor. Buna QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG'nin (051910.KS) ve Samsung SDI (006400.KS). Şimdilik Tesla (TSLA) üzerinde çalışıyor katı hal pillerine kendi alternatifiLityum iyon teknolojisine dayalı 4680 pil hücresi.
Katı Hal Pillerinin Sorunları
Katı hal pillerinin geliştirilmesi, laboratuvar prototiplerinin seri üretim ürünlere ölçeklendirilmesindeki zorluklar nedeniyle sekteye uğradı. Güvenilir, otomatik ve düşük maliyetli üretim hâlâ üzerinde çalışılıyor ve katı hal pillerin pazara sunulması için zaman çizelgesinin en iyi ihtimalle 2026-2028 ufkunda olması muhtemel.
Kaynak: Vertex Holdings
Son olarak, katı hal piller, mevcut lityum iyon pillerden çok daha fazla lityum kullanacak ve bu, lityum fiyatının 2022 yılda 10 kat arttığı 2'de hızla artan fiyatının tekrarlanmasına neden olabilir. Geri dönüşüm de zor olabilir.
“Yoğunlaştırılmış” Piller
Çok yüksek yoğunluklu pilleri görmek için belki de katı hal pilleri beklememize gerek yok. CATL, “yoğun madde” pili ürettiğini duyurdu500 Wh/kg'a ulaşabiliyor. Şirket ayrıca, küçük bir girişimden değil, sektör liderinden gelen, kısa sürede seri üretime geçme olasılığının muhtemelen inandırıcı olduğunu iddia ediyor.
Bu, daha önce yalnızca katı hal pilleriyle elde edilebileceğine inanılan bir yoğunluk düzeyidir. Bu aynı zamanda elektrikli uçakları ve şimdiye kadar elektrikli hale getirilmesi imkansız olan diğer uygulamaları dikkate almaya başlamak için gereken seviyedir.
Alternatif Pil Kimyaları
Pil oluşturmak için lityum iyonun birçok olası alternatifi vardır. Ancak yalnızca birkaç pil kimyası, mobil uygulamalarda kullanıma uygun hafiflik, yüksek yoğunluk ve güvenliğin doğru karışımına sahip olabilir.
Uzun vadede, bu alternatif pillerden bazıları, en azından fiyata daha duyarlı otomotiv kitle pazarı söz konusu olduğunda, daha pahalı olan lityum pillerin yerini bile alabilir.
Lityum-Demir(Ferrum)-Fosfat Piller – LFP
LFP pilleri, çok düşük enerji yoğunluğu nedeniyle uzun süredir mobilite uygulamalarının dışında kalmıştır. tipik olarak klasik lityum iyon pilden %30-40 daha düşük. Bu kimyanın en son versiyonu artık eski nesil lityum iyon pillerin yoğunluk seviyesine ulaşıyor ve bu da onları düşük maliyetli araçlar için uygun hale getiriyor.
LFP'nin büyük bir avantajı, klasik lityum iyon pillerin fiyatını belirleyen nikel veya kobalt gerektirmemesidir. Buna karşılık demir ve fosfat bol ve ucuzdur. LFP'nin daha uzun süre dayanması da daha muhtemel olup, pil sisteminin toplam yaşam maliyetini daha da azaltır.
LFP'nin lider üreticisi Çinli CATL'dir (300750.SZ), BYD ile birlikte (BYDDF), şirket şu anda dünyadaki pillerin yarısının üreticisi konumunu korumak için başka seçeneklere bakıyor olsa bile.
Bununla birlikte Ağustos 2023'te 700 kilometrelik bir yolun ortaya çıkarılmasından sonra LFP pazarını da ihmal etmiyor. 400 kilometrelik menzili yalnızca 10 dakikada şarj edebilen LFP pil.
Sodyum İyon
Kobalt ve nikelin yanı sıra lityum, lityum iyona giden diğer önemli maliyetli kaynaktır. Buna karşılık, sodyum son derece bol ve ucuzdur ve lityum gibi düzenli olarak arz sıkıntısı yaşama olasılığı çok daha düşüktür.
Çin'in önde gelen otomobil üreticisi BYD, yeni düşük fiyatlı modelleri Dolphin ve Seagull'da sodyum iyon pil kullanmayı planladığını duyurduMartı ile belki 10,000$ kadar ucuz (ne yazık ki sadece Çin'de).
Bu duyuruyu takip etti CATL'den 2021'de yüksek yoğunluklu sodyum iyon pil. Kasım 2023'te Avrupa Northvolt'u şunu duyurdu: sodyum iyonunda bir atılım, aynı sonuca ulaşıyor CATL'den kilogram başına 160 watt-saat enerji yoğunluğu.
LFP'den biraz daha az enerji yoğunluğuna ve lityum iyondan çok daha az enerji yoğunluğuna sahip olmasına rağmen, sodyum iyon, ÇOK daha ucuz fiyatı sayesinde kitlesel pazarı kazanabilir. potansiyel olarak nikel kullanan mevcut pillerin fiyatının 1/3'ü kadar.
Diğer Kimyalar
Her birine tek tek bakmak çok uzun olsa da, bir gün mobilite uygulamalarında kullanılan piller için ciddi rakipler haline gelebilecek pek çok potansiyel kimya daha var. Ancak bu teknolojiler daha erken bir aşamada olduğundan, bunların elektrikli araçlarda benimsenmesi kısa vadede pek mümkün görünmüyor.
Cam piller
İlginç bir fikir, şimdilik diğer araştırmacıların kendi laboratuvarlarında kopyalamak için uğraştıkları, yalnızca çok bol miktarda malzeme kullanıyor. Ancak bu fikrin desteklendiği göz önüne alındığında Bay. Goodenough, lityum iyon pilin mucidi, bu da reddedilemez (ne yazık ki Bay Goodenough 2023 yazında vefat etti)
Grafen piller
Tek bir karbon atomu tabakası olan grafen son derece iletkendir. Grafen Üretim Grubu şirketi (GMG.V), lityum iyondan daha yüksek yoğunluğa sahip, 70 kat daha hızlı şarj olabilen ve 3 kat daha uzun süre dayanan grafen/alüminyum piller için baskı yapıyor. Şirket 202 yılı ölçeğinde üretime başlamak için madencilik devi (ve grafit madencisi) Rio Tinto ile birlikte çalışıyoruz5.
Manganez Hidrojen Piller
Bu piller lityumun yerine magnezyum kullanacak. Bu tür piller şu şekilde tanımlanmıştır:yarı katı hal” ve -22 °C (- 7°F) kadar düşük sıcaklıklarla çok daha iyi başa çıkabilir.
Lityum-kükürt Piller
Bu piller pahalı kobalt ve nikel yerine lityum ve kükürt kullanacak. Bu erken aşamada bile oldukça yüksek bir enerji yoğunluğu sergiliyorlar. Ancak dayanıklılıkla ilgili sorunlarla boğuşuyorlar ve mevcut kimyaya iyi bir alternatif olabilmeleri için çok daha dayanıklı olmaları gerekecek.
Kaynak: Vertex Holdings
Sodyum-Kükürt Piller
Bu piller şimdilik pilin yüksek sıcaklıklarda (300°C) tutulduğu uygulamalarla sınırlıydı. Fakat, kükürt çözünmesini önleyen yeni elektrolitler bu gereksinimi ortadan kaldırabilir. Dolayısıyla güçlü ve ucuz pil bulma konusunda yeni bir açılım olabilir.
Alüminyum İyon Piller
Bu teknoloji lityum anotu alüminyum anodla değiştiriyor. Kullanarak Grafitin yerini alacak bir polimer olan bu piller, yüksek depolama kapasitesine ulaşabilir.
Alüminyum-Hava
Bu “piller”, alüminyumu bir yakıt gibi tüketerek çalışır ve EV'nin onu kullanmasını sağlar. Lityum iyondan çok daha yoğun bir enerji yoğunluğuna sahip, yakıtlı bir arabadan daha yüksek menzil (depo başına 1,600 km) (1,350 W/kg). Bu da onu elektrikli uçaklar için potansiyel bir elektrik kaynağı haline getiriyor.
Tüketilen alüminyum daha sonra 90 saniye içinde taze alüminyumla değiştirilebilir ve harcanan "yakıt" geri dönüştürülür. Bu teknoloji aynı zamanda daha fazla menzil sağlamak için eski EV'lerle de birleştirilebilir.
Şu anda, bu teknolojinin gelişiminin ana sınırı, gerçek bir pil, yakıt hücresi veya hidrojen bazlı olmaması nedeniyle kamu desteğini alamaması ve mevcut yeşil politikalar tarafından desteklenmeye uygun olmaması gibi görünüyor.
