Elektrikli arabaları daha hızlı şarj etmek, daha ileri gitmek: Silikon anot bir atılımın eşiğinde mi?
Devrim gelmiyor ama evrim devam ediyor: Elektrikli otomobillerin çekiş aküleri giderek daha yüksek bir enerji yoğunluğuna sahip oluyor ve şarj gücü giderek artıyor. Pil hücresi anodunun daha da geliştirilmesi için büyük bir potansiyel var. Birkaç istisna dışında burada yalnızca grafit kullanılıyor. Porsche Taycan'da anota zaten %5 oranında silikon ekleniyor. Hemen hemen her açıdan büyük avantajlar sunan saf silikon anotların üretilmesi de daha önceki sorunların çözülebilmesi şartıyla mümkündür.
Duyuru
Katot malzemesi ne olursa olsun, neredeyse tüm lityum bazlı pil hücrelerinin grafit anoda sahip olmasının basit bir nedeni var: grafit kendini kanıtlamış durumda. Kimyasal olarak sadece karbondur. Ömrü uzundur ve enerji yoğunluğu kabul edilebilir düzeydedir. Ancak bir sanayi politikası riski, küresel üretim kapasitesinin %90'ından fazlasının yoğunlaştığı Çin'e bağımlılıktır. Dahası, grafit çok fazla hacim gerektirir ve artık şarj hızını sınırlayan en önemli faktördür. Ayrıca hızlı ve sık şarj, lityum birikmesini (lityum kaplama) teşvik eder, bu da ömrü önemli ölçüde kısaltır ve bir güvenlik sorunu haline gelebilir.
Amaç karışım değil saf silikon anottur. Silikon yüklendiğinde ve boşaltıldığında hacmi önemli ölçüde değiştirir. Bu, yapıyı bozan çok büyük miktarda malzeme stresidir. NorcSi şirketi, yapıyı önceden stabilize eden bir süreç geliştirdi: Flaş lambası tavlaması ile bakır dendritler silikonun içine doğru büyüyor ve bu da çeliğin betonu güçlendirmesine benzer şekilde onu güçlendiriyor. Fotoğrafın solunda NorcSi'nin teknik direktörü Dr. Marcel Neubert var.
(Resim: NorcSi)
Silikon çok daha fazla lityum içerebilir
Silikonun elektrokimyasal gücü, bir silikon atomunun 3,5'e kadar lityum atomu içerebileceği şekildedir. Ancak bir lityum atomunun bulunabilmesi için altı karbon atomuna ihtiyaç vardır. Ancak silikonun karbondan daha ağır olması bu avantajı ortadan kaldırır. Kütle avantajı hâlâ 10 faktörü civarında. Saf silikon anotlu bir pil hücresi bu nedenle çok daha yüksek hacimsel enerji yoğunluğuna sahip olacaktır; uzmanlar bunun litre başına 1000 Wh'nin üzerinde olduğunu tahmin ederken, günümüzde bu oran 600 Wh/l'dir. . Gravimetrik enerji yoğunluğu açısından avantaj da yaklaşık %50 olabilir; örneğin mevcut kilogram başına 250 watt saat yerine 375 saat. Silikon anotlu bir çekiş aküsü, aynı enerji içeriğine sahip grafit anotlu bir depolama aküsünden önemli ölçüde daha küçük ve daha hafif olacaktır.
Silikon tabakasındaki bakır dendritlerin yapısı açıkça görülmektedir. Bu, şarj işlemi sırasında ses seviyesindeki değişimi en aza indirir. İşlem ucuzdur ancak yeterli dayanıklılık açısından henüz kendini kanıtlamamıştır.
(Resim: NorcSi)
Hacim değişikliğinden dolayı malzeme gerilimi
Pratikte silikonla ilgili sorun, pilin şarj edilmesi ve boşaltılması sırasında meydana gelen büyük genleşme ve büzülmedir. Hacimdeki bu kalıcı değişiklik, malzeme üzerinde büyük bir gerilime ve dolayısıyla aşınmaya neden olur. Porsche gibi grafite küçük bir silikon eklenmesiyle bu durum kontrol altına alınabiliyor ancak enerji yoğunluğu ve şarj hızı açısından ideale ulaşılamıyor veya yalnızca kısmen ulaşılabiliyor. Araştırma ve endüstri, saf silikon anotun stabilitesini sağlamak için farklı süreçler üzerinde çalışıyor. Halle (Saale) merkezli bir tür alışılmadık start-up olan NorcSi, tahmin edilebileceği gibi ekonomik ve patentli olduğu için umut verici bir süreç geliştirdi. Burada laboratuvar teknisyenlerinden bilim insanlarına kadar 14 kişi çalışıyor.
Günümüzde anotların neredeyse tamamı grafitten yapılmaktadır. Şarj performansı için ana sınırlayıcı faktördür. Ayrıca üretim lokasyonlarının %90'ından fazlası Çin'de bulunmaktadır. Silikon anot Avrupa'da kolaylıkla üretilebilir ve stratejik bağımlılığı azaltabilir.
(Resim: Volkswagen)
Betonarme benzeri yapı
NorcSi iki iyi bilinen ve kanıtlanmış yöntemi birleştirir. Bunlardan biri makaradan makaraya üretimdir. Bakır taşıyıcı levha ince bir saf silikon tabakasıyla kaplanır. Örneğin lityum metalinin aksine silikonun kullanımı kolaydır ve mevcut üretim teknolojisinin yalnızca değiştirilmesi gerekir. NorcSi işleminin öne çıkan özelliği, ardından gelen flaş lambasının tavlanmasıdır. Yalnızca birkaç milisaniye süren flaş lambası tavlaması (kısaltılmış FLA) sırasında, kısa süreli ısıtma, dendritlerin bakır folyodan silikona doğru büyümesine neden olur. Betondaki çeliğe benzer şekilde mekanik olarak stabilize edici bir yapı oluştururlar. Aynı zamanda iletkenliği metalinkine benzer. Lityum birikimini en aza indirmeyi amaçlayan koruyucu bir üst katman da uygulanır.
Döngü stabilitesi henüz yeterli değil
Bu anot ilk şarj edildiğinde genişler; Bundan sonra hacim değişikliği nispeten çok küçük olmalıdır. Maddi stres yönetilebilir. Laboratuvardaki döngüsel dayanıklılık halihazırda 300-400 döngüdür; geniş serilere olan gereksinimin arttırılması mümkün olmalıdır. Bu nedenle saf bir silikon anot, nispeten basit ve buna bağlı olarak ucuz bir üretim prosesiyle üretilebilir. Katman kalınlığı grafitten %90 daha az olduğundan mükemmel elektriksel ve termal iletkenliğe sahiptir. Unutmayın: hem bakır hem de silikon kolayca geri dönüştürülebilir.
NorcSi, anodun kilovat saat başına malzeme maliyetinin üçte iki oranında düşebileceğini söylüyor. Kesin olan şey, yeterli miktarda lityumun emilmesi ve serbest bırakılması için çok daha az malzemeye ihtiyaç duyulduğudur. Silikon tabakasının kalınlığı grafitinkinden çok daha incedir, bu da esas olarak hacimsel enerji yoğunluğunu arttırır.
(Resim: NorcSi)
Prosedür yarışması
Baden-Württemberg'deki ZSW'den (Güneş Enerjisi ve Hidrojen Araştırma Merkezi) Prof. Dr. Markus Hölzle bir malzeme uzmanıdır. ZSW'nin elektrokimyasal enerji teknolojileri bölümüne başkanlık ediyor ve NorcSi'nin sürecini sınıflandırıyor: “Lityum birikiminin yapısını, elektriksel bağlantısını ve muhafazasını oluşturma yöntemi anlaşılır ve güvenilir” diyor Hölzle. Ancak: Profesör Hölzle şöyle açıklıyor: “Silikonu evcilleştirmek zordur” ve dayanıklılığı henüz kanıtlanmamıştır. Burada bazı şüpheler var. Ancak dünya çapındaki şirketler bunun üzerinde çalışıyor. Ancak herkes NorcSi ile aynı seviyede değil. Örneğin Graphenex Development Inc (GDI) şirketi Avrupa Yatırım Bankası'ndan (EIB) 20 milyon euro tutarında kredi aldı. GDI ayrıca saf silikon anot üretmek istiyor.
Avrupa değeri yaratma fırsatları
Hammadde olan silikon yalnızca şarj performansını artırmakla kalmadı. On dakikada %10 ila %80'lik bir artış gerçekçi olarak yapılabilir olmalıdır. Silikonun daha fazla kullanılması Çin'e olan bağımlılığı da azaltacaktır. Örneğin NorcSi'nin sürecinde yüksek saflıkta silikon yerine düşük kaliteli silikon yeterli oluyor, bu da maliyetleri düşürüyor ve tedarik zincirlerini basitleştiriyor. Porsche ve Audi'den (Taycan ve e-tron GT) sonra silikon karışımına sahip bir anot duyuracak bir sonraki otomobil üreticisi Mercedes'tir: Münih'teki IAA'da bir çalışma olarak sunulan bir sonraki CLA, 2025'ten itibaren bu hücresel kimyayı kullanacak. 800 voltluk platformla birlikte alıcılar, şarjın kısa süreliğine durması ihtimalini bekleyebilirler.
Eğer saf bir silikon anot seri kullanım için optimize edilebilirse, bu, elektrikli otomobillerin çekiş aküsü açısından önemli bir ilerleme anlamına gelecektir. Özellikler açısından, bu hücrenin kimyası, lityum metal anotlu gerçek katı hal pillerin değerlerine, ancak hiçbir zorluk ve işletme maliyeti olmadan yaklaşma potansiyeline sahiptir. Basitlik ve kolaylık, hücresel kimyanın yayılmasında uzun zamandır temel faktörler olmuştur. Ayrıca Çin'e olan stratejik bağımlılık azalacak ve Avrupa'da değer yaratımı gerçekleşebilecektir.
Elektrikli otomobiller hakkında daha fazla bilgi
Daha fazla göster
daha az göster
(mfz)
Haberin Sonu