1900’lerin başında konuşulmaya ve kullanılmaya başlayan fakat içten yanmalı araçlara karşı pazarda yenik düşen elektrikli araçlar, 2000’lerin başında batarya teknolojilerindeki gelişmeler ve devlet teşvikleriyle tekrar popüler duruma geçmiş ve günümzüde ise hızla büyüyen bir pazar haline gelmiştir.

Her teknolojik gelişmede olduğu gibi elektrikli araçlarda da var olan belirli sorunların çözülmesi ve daha iyi hale getirilmesi gerekmektedir. Bu sorunların başında; uzun şarj süreleri, yetersiz menzil ve batarya ömrü gibi araç bataryalarından kaynaklanan sorunlar gelmektedir. Günümüzde lityum-iyon pilleri yaygın olarak kullanılsa da düşük enerji yoğunlukları, düşük verimlilik ve çeşitli güvenlik sorunları sebepleriyle daha iyi bir alternatifin gerekliliğini ortaya koymaktadır ve bu noktada geleceğin batarya teknolojisi olarak adlandırılan "Katı Hal Pilleri" devreye girmektedir.



 

Katı hal pilleri, geleneksel lityum-iyon pillerde kullanılan sıvı veya jel elektrolit yerine katı bir elektrolit içeren gelişmiş batarya teknolojisidir. Katı hal pillerinde anot olarak genellikle lityum-metal veya lityum alaşımları kullanılır. Katı elektrolit, iyonların hareket ettiği ve geleneksel pillerdeki yanıcı sıvı elektrolitin yerini alan katı bir malzemedir; bu malzeme seramik, polimer veya sülfür bazlı olabilmektedir. Katot ise lityum-iyon pillerde olduğu gibi lityum bileşenlerden oluşmaktadır. Elektrik üretimi sırasında lityum iyonları katottan anoda hareket etmektedir. Şarj olurken ise anottan katoda geri dönmektedir. Fakat katı elektrolit burada devreye girerek daha hızlı iyon hareketi ve daha güvenli bir yapı sağlamaktadır.

 

Lityum-iyon pillere kıyasla, katı hal pilleri yanıcı sıvı elektrolit içermediğinden dolayı kısa devre ve yangın riskini azaltmakta, daha yüksek iyonik iletkenliğe ulaştıklarında ise daha hızlı şarj imkânı sunmaktadır. Ayrıca geniş sıcaklık aralıklarında daha stabil çalışarak aşırı sıcak veya soğuk ortamlarda bile yüksek verimle çalışabilmektedirler. Dendrit (lityum metal birikimi sonucu oluşan kısa devre riski) oluşumunun azalması sayesinde katı hal pilleri lityum-iyon pillere göre daha uzun ömürlü olabilmektedir.

Tabi ki neden tercih edilmelidir sorusunun yanında mevcut zorluklar da göz ardı edilmemelidir. Yüksek performanslı katı hal elektrolitleri ve elektrot arayüzlerini düşük maliyetle üretmek büyük bir mühendislik gerektirir. Günümüzde laboratuvar çalışmalarında başarılı sonuçlar alınsa da seri üretim sürecinde ölçeklendirme ve maliyet sorunları hâlâ büyük bir engeldir. Üretim sürecinde en büyük problemlerden biri katı elektrolitin ince ve kusursuz bir tabaka halinde üretilebilmesidir. Ayrıca katı elektrolitlerin bazı türleri sıvı elektrolitlere kıyasla daha düşük iyonik iletkenliğe sahip olabilmektedir. Bu tüm malzemeler için geçerli olmasa da malzeme seçiminde dikkat edilmesi gereken önemli hususlardan biridir. Örneğin sülfür bazlı ve bazı lityum garnet (LLZO) bazlı elektrolitler sıvı elektrolitlere yakın iletkenlik sunabilir. Bununla birlikte elektrot-elektrolit arayüzlerinde oluşan direnç ve temas problemleri, pil performansını önemli ölçüde etkileyebilir.

 

►İlginizi Çekebilir: Batarya Performansını Artırmak ve Uzun Ömür Sağlamak için Yapılan Testler Hakkında Bilinmesi Gerekenler

Katı hal pillerinin sunduğu tüm kolaylıklar ve zorluklar değerlendirildiğinde otomobil sektöründe yeni bir çağ açma potansiyeline sahip olduğu oldukça açıktır.


Peki otomobil firmaları bu durumu nasıl değerlendiriyor ve elektrikli araçlarda nasıl bir değişimi ön görüyor?


Otomobil sektörünün lider markalarından olan Toyota, 2027-2028 yıllarına kadar katı hal pillerini seri üretime geçirmeyi planlamaktadır. Bu hedef doğrultusunda Toyota, enerji grubu Idemitsu Kosan ile sülfit katı elektrolit malzemesini ortaklaşa geliştirmek ve üretmek için bir iş birliği yapmıştır. Katı hal pillerinin geleneksel lityum iyon pillere göre daha yüksek enerji yoğunluğu ve daha hızlı şarj imkânı sunduğu düşünülmektedir. Bu sebeple Toyota'nın bu stratejisi de elektrikli araçların menzilini artırmayı, şarj sürelerini kısaltmayı ve güvenlik risklerini azaltmayı amaçlamaktadır.

Bu alanda yatırımlarıyla bilinen QuantumScape ise elektrikli araçlar için katı hal lityum-metal batarya teknolojisi geliştiren bir Amerikan şirketidir. Şirket, mevcut lityum iyon pillere kıyasla üç kat daha yüksek enerji yoğunluğu ve daha hızlı şarj süreleri sunmayı hedeflemektedir. QuantumScape'in katı hal bataryaları, daha yüksek enerji yoğunluğu, hızlı şarj ve gelişmiş güvenlik özellikleri sunmayı vadetmektedir. Bu yeni batarya teknolojisi otomobil firmalarının ilgisini çekip bu firmaları ya batarya üretimine ya da batarya firmalarıyla anlaşmaya teşvik etmiştir. Örneğin Volkswagen, QuantumScape'e 2018 yılında 100 milyon dolar yatırım yaparak en büyük hissedar olmuştur. 2020 yılında bu yatırımı 200 milyon dolar daha artırmıştır.



QuantumScape’e benzer olarak Solid Power, katı hal pil teknolojisi alanında faaliyet gösteren diğer önemli şirketlerden birisidir. Özellikle otomotiv sektörüne yönelik uygulamalar geliştirmek amacıyla BMW ve Ford gibi, dünya pazarında büyük pay sahibi otomobil firmalarıyla iş birliği yapmaktadır. 2021 yılında BMW ve Ford, Solid Power'a toplamda 130 milyon dolarlık bir Seri B yatırım turu gerçekleştirmiştir. Bu yatırım, Solid Power'ın tam ölçekli otomotiv bataryaları üretme kapasitesini artırmayı ve gelecekteki araç entegrasyonları için şirketin üretim yeteneklerini genişletmeyi hedeflemektedir. Solid Power, daha güvenli ve yüksek enerji yoğunluklu piller üretmek için gelişmiş seramik ve süngerimsi yapılar kullanmaktadır. Şirketin geliştirdiği tüm katı hal pilleri, yanıcı sıvı elektrolitleri ortadan kaldırarak güvenliği artırmakta ve mevcut lityum-iyon pillere kıyasla enerji yoğunluğunu %50 -100 oranında artırabilmektedir. Ayrıca bu piller geniş bir sıcaklık aralığında daha kararlı performans sergileyerek daha ucuz ve yüksek enerji yoğunluklu pil tasarımlarına olanak sağlamaktadır.



Pazardaki bir diğer otomobil üreticisi olan Hyundai, katı hal pil teknolojisinin gelecek vaat eden özellikleri üzerine çeşitli projeler yürütmekte ve akademik kurumlarla ortak Ar-Ge çalışmaları yapmaktadır. Hyundai, katı hal pil teknolojisi geliştirmek amacıyla Seul Ulusal Üniversitesi (SNU) ile ortak bir pil araştırma merkezi kurmuştur. Bu merkezde lityum metal ve katı hal piller de dahil olmak üzere toplam 22 araştırma projesi yürütülmektedir.



Son olarak birçok alanda araç üreten, Türkiye’de de üretim tesisleri bulunan ve dünya çapında yüksek bilinirliğe sahip Mercedes-Benz, sürdürülebilirlik alanında da çok iyi adımlar atarak bu konu üzerinde çeşitli çalışmalar yapmaktadır. Mercedes-Benz katı hal pil teknolojisi geliştirmek amacıyla ABD merkezli batarya girişimi Factorial ile iş birliği yapmaktadır. Bu ortaklık kapsamında, "Solstice" adı verilen ve mevcut lityum-iyon pillere göre yaklaşık %80 daha fazla menzil sunması hedeflenen bir katı hal bataryası geliştirilmektedir. Solstice bataryalarının enerji yoğunluğunun kilogram başına 450 Watt-saat olması planlanmaktadır. Günümüz lityum-iyon pillerinin enerji yoğunluğuna (250-300 Wh/kg) kıyasla ciddi avantaj sağladığı yadsınamaz bir gerçektir. Solstice bu verilere dayanarak %33 daha hafiftir diyebiliriz. Bu da demek oluyor ki araç daha az enerji tüketir dolayısıyla daha fazla menzil sunar. Daha az batarya kütlesi sayesinde araç daha iyi hızlanma ve performans gösterir. Daha kompakt batarya paketleri tasarlanarak iç mekân daha verimli kullanılabilir.


Katı hal pilleri, elektrikli araç teknolojisinin gelişiminde devrim yaratma potansiyeline sahiptir. Yüksek enerji yoğunluğu, daha güvenli bir sistem ve hızlı şarj imkânı gibi avantajlarıyla uzun menzil ve yüksek performans sunmaktadır. Fakat seri üretim, maliyetler ve mühendislik zorlukları gibi faktörler, bu teknolojinin yaygınlaşmasının önünde büyük engel teşkil etmektedir. Bu nedenle Toyota, Volkswagen, BMW, QuantumScape, Solid Power gibi otomotiv şirketleri ve araştırma merkezleri, yoğun Ar-Ge çalışmaları yürütmeye devam etmektedir. Önümüzdeki 5-10 yıl içinde, katı hal pillerinin elektrikli araçlarda lityum-iyon pilleri yerine tercih edilmesi ve hızla ticarileşmesi öngörülmektedir. Ancak bu geçiş sürecinde, hibrit sistemler ve gelişmiş lityum-iyon pillerinin de bir süre daha pazarda varlığını sürdüreceği düşünülmektedir.

Her ne kadar katı hal pillerinin elektrikli otomobillerin geleceğinde önemli rol oynayacağı kaçınılmaz görünse de bu teknolojinin gelişmesinin önünde aşılması beklenen teknik ve ekonomik engeller varlığını sürdürmektedir. Ancak bu engeller nedeniyle büyük potansiyel taşıyan bu alandaki çalışmaların devam edecek oluşunun da kaçınılmaz hale geldiği söylenebilir.




Yazar: Emin KARAL


Kaynakça:

►https://www.pknergy.com/tr/news/solid-state-battery-vs-lithium-ion/
►https://elektriginyolu.com/2024/02/09/kati-hal-piller/
►https://hilelectronic.com/tr/solid-state-batteries/
►https://www.xpowersolution.com/tr/solid-state-batteries-the-future-of-energy-storage-technology
►https://mobilitehaber.com/kati-hal-pilleri-uzerine-yeni-arastirma-daha-guvenli-ve-verimli-pil-teknolojileri/
►https://futureflow.life/toyota-kati-hal-pilleri-seri-uretime-gececek/
►https://tr.investing.com/news/company-news/volkswagen-ve-quantumscape-aku-teknolojisi-anlasmasn-saglamlastrd-93CH-2937964
►https://www.prnewswire.com/news-releases/bmw-and-ford-invest-in-solid-power-to-secure-all-solid-state-batteries-for-future-electric-vehicles-301281750.html
►https://www.aa.com.tr/tr/isdunyasi/otomotiv/hyundai-ve-seul-ulusal-universitesi-pil-arastirma-merkezi-aciyor/681714 

https://www.reuters.com/business/autos-transportation/mercedes-teams-up-with-factorial-develop-solid-state-batteries-2024-09-10