Lityum bataryalar, her yerde ve pek çok değişik uygulamada karşımıza çıkıyor. Geniş ve hızlı yaygınlaşma sebebi, farklı kimyalarda, isteğe uygun tasarımların yapılabiliyor olmasından geçiyor.
Darbeli matkap, Cep telefonları, Scooter’lar, Elektrikli araçlar, UPS ve AGV’ler de bu uygulamaların içinden örneklerdir.
Güvenlik, bataryalarla birlikte, enerji depolamada önemli bir konudur. Batarya güvenliğini konuşurken, kapalı bir kutu içinde, oksitleyici (katot) ve yakıt (anot) olduğunu ve davranışlarını anlamamız gerekir. Normal çalışma düzeyinde, yakıt ve oksitleyici, kimyasal enerjiyi, en az ısı ve yok kabul edebileceğimiz kadar az gaz ile, elektrik enerjisine (elektron akışı) çevirir. Bu sınırlama hücre içindeki mekanik perdeleme, zarlarla sınırlı tutulur. Şayet elektrokimyasal bir ortamda bu işlemi yapsak, ikisi bir arada büyük bir hızla bitene kadar kimyasal reaksiyon devam ederdi.
Güvenlik hücre, modül, batarya, şarj ve araç ile birlikte değerlendirilir ve en alttan en üste bir zincir gibi, önlemleri alınmalıdır.
Güvenlik arttırıcı önlemler: (a) sorunun ortaya çıkmasını engellemek, (b) bir olay anında, olayın önemini azaltmaya yönelik konuları planlamaktır.
Konu, bataryalar olunca Lityum Hücreler, Modüller (hücre grupları) ve Batarya (BMS, Montaj, Sigorta, Valf, Metal Kasa, Soketler ve Testleri) için kontrol edilecek ana unsur Termal (ısı) takibidir.
Hedef giderek daha küçük alanda daha fazla enerji depolamak olunca, güvenli batarya paketleri ve hücre tasarlamak çelişir bir durum olabiliyor. Güvenlik malzeme seçimi, hücre tasarımı, elektronik kontrol ve modül/paket tasarımı da her aşamada önem kazanıyor.
GÜVENLİK UNSURLARI
Güvenlik unsurları, hücre, modül ve batarya paketleri içinde sıcaklık ve gaz salınımını yönetmek için kullanılır:
· Hücre: Devre kapatıcı, akım kesici filtre, anot ve katot arasında perde şeklindedir ve hücre iç sıcaklığı belli bir sınırı aşınca, Ion akışını keser ve hücrenin daha fazla şarj/deşarj olmasını engeller,
· Hücre: Basınç atıcı valf veya basınçta parçalanan etiket, hücre içinde aşırı basınç oluştuğunda gazı kontrolü dışa atmayı sağlar.
· Modül: Akım Sınırlayıcı Devre, genelde BMS’e bağlı çalışır. İç basınç belirlenen değere gelince, aşırı akıma karşı, elektrik devrelerini kapatır.
· Modül: PTC sensörler ile batarya sıcaklığı sürekli ölçülür. Yüksek akımın oluşturacağı sorunlarda deşarj kapatılır.
· Modül: Akım sınırlayıcı sigortalar, PTC yerine/ilave kullanılabilir.
· Modül: Diyotlar, istenmeyen şarj bağlantısı ve arızalı hücreyi devre dışı bırakmak için kullanılabilir.
· Modül: Aktif balans ile şarj ve deşarjda dengeleme, var olan enerjiyi kullanıp, menzil arttırma,
· BMS: Sıcaklık, aşırı şarj/deşarj veya düşük/yüksek voltaj koruma devreleri ile, akıllı ise bunları ileteceği seri haberleşme ve LCD ekran devresi olacaktır.
· Batarya: Checkvalf ile gaz koruması,
· Batarya: DC sigorta,
· Batarya: Soketleri, hatayı engelleyecek bağlantılar,
· CANBUS: Veri alışverişi ve batarya denetimi:
Bu denetim ve kontrol altyapısı ile, hücrelerde 10 ve hatta 40 Milyonda bir bozulma ön görülmektedir.
HÜCRE NEDEN BOZULUR ?
Farklı batarya kimyalarında değişik bozulma ortamları olmaktadır, ancak çevreden gelen etkilerin ışığında, en büyük ortak payda, “Sıcaklık ve Gaz” çıkmasıdır. Genelde ikisi aynı kimyasal reaksiyon sonucunda ortaya çıkar.
Termal arızalar, zorlayıcı denemeler, örneğin kısa devre arızaları daha da sakıncalı hale getirebilir. I2R ile ısı artmaya başlar. Bunlar da termal azgınlığa yol açabilir. Bataryanın devreye sokulmadan önce sıcaklık ve gaz açığa çıkarmayacağını anlamak için zorlayıcı testler yapılır.
Görüleceği gibi, LiFePO4 bataryada, 150 dereceye kadar iç sıcaklık artmıyor ancak daha sonra kademeli artıyor. Burada harici bir sıcaklık kaynağı, hücre içinde 150 dereceye kadar değişime yol açmıyor ancak daha sonra, yavaş yavaş, exothermic reaksiyon ile ısı çıkmaya devam ediyor. Stage 2 de hafif duman çıkabilir, Stage 3’de ise Hızla Katot veya Anot reaksiyonları Termal azgınlığa yol açar. Bu aşamaya gelindiğinde harici bir kaynağın sıcaklık artışını engellemesi mümkün olmamaktadır. Çünkü hücre içinde serbest Oksijen oluşuyor. Lityum hücrelerde 130 ila 200 dereceden itibaren, bu işlemin başladığı görülmüştür. Sıcaklığı takip ve akım kesme önemlidir.
Termal azgınlığın dakika, saat ve hatta günler sonra başladığı da görülmüştür. Batarya paketinin yapısı ve çalışma ortamı, reaksiyonun hızını değiştirebilmektedir.
Bu nedenle bataryaların yolcu uçaklarında taşınması ve %30 civarı şarj seviyesi ile sevk edilmesine karar verilmiştir. Batarya tasarımında çalışan/taşınan/depolanan bataryanın karşılaşacağı durumları önceden ön görmek gerekir.
Fiziksel Darbe ve Hasarlar, iğne batırma, ezme, titreşim, darbe sonucu hücre içinde kısa devre ortaya çıkartıp, istenmeyen aşırı akımların ortaya çıkmasına yol açabilir. Genelde Wh/kg ve Wh/L değeri yüksek, enerji dolu bataryalar bu darbelerden en çok etkilenenler olmaktadır. Benzer bir şekilde sıvı kaçağı da aynı soruna yol açabilir.
Şarj/Deşarj Hataları, aşırı şarj ve deşarj, BMS gereğini yapmaz ise, veya hücre seri voltajları arasında dengesizlik var ise sorun yaratabilir. Batarya tasarımı yapılırken, üreticinin hücre için test edip belirlediği şarj/deşarj voltaj, hız değerlerine uyulur.
Aşırı şarjda Lityum hücrelerin davranışı katot kimyasına bağlıdır. Şarj sırasında Lityum katot (oxide)’dan ayrıştırılır. LiFePO4’da ayrıştırılacak lityum seviyesi SOC %100’e kadar olabilir. Aşırı deşarj devam ederse, geçici kristalleşme başlar, seperatörün parçalanmasına kadar gider. Lityumun tamamı ayrıştırılırsa, %100 SOC boşaltılırsa, ısınma daha hızlanmaktadır Bu nedenle deşarj minimum voltajı çok düşük olmamalıdır. Hücre bir kere aşırı şarj olursa, seperatör bozulduğu için, daha sonrası için sürekli hata yaratabilecektir.
Kısa Devre, bataryanın harici kısa devre olması en önemli, dış etkendir. Bütün güvenlik protokolleri, nakliye ve kullanım öncesi kısa devre testi ister. Test sırasında, mekanik aksam stres testlerine sokulur. Kullanım ortamında karşılaşılabilecek koşullar simüle edilir.
HÜCRE KİMYALARINA BAĞLI GÜVENLİK ve DARBE İNCELEMESİ
Çoğu ticari Lityum hücre katotlarında, LiCoO2 gibi bir anot grafit karbon kullanılır ve bu Lityum’u şarj esnasında LiC6 türevi olarak bağlar. Farklı şeffaf carbon içerikli birleştirici sıvılar kullanılabilir. Bütün lityum hücreler sulu olmayan, LiPoF6 benzeri tuz çözeltileri kullanır.
Ethylene Carbonate (EC), Propylene Carbonate (PC), Diethyl Carbonate (DEC) veya Ethyl Methyl Carbonate (EMC) de Anot elktroliti olarak kullanılır. Tabii ki ayırıcı ince mekanik ion filtresi (seperatör) de çok kritiktir.
Pilin davranışını inceleyebilmek için bu bilgiler aktarılmaktadır.
Lityum Ion Bataryalarda Katot Malzeme İncelemesi, Katot seçimi, batarya güvenliği açısından en kuvvetli etkendir.
LiCoO2 çok kullanılır ama diğer katotlara göre termal güvenliği daha zayıftır. Hücrenin kendi kendini, iç direnç nedeniyle ısınması istenen bir şey değildir.
LiFePO4 katot malzemesi, en yüksek sıcaklıklarda dahi, Oksijen’i serbest bırakmadığı için, aşırı sıcaklıkta Termal Çılgınlığa (thermal runaway) en dayanıklı elektrolittir.
Bu çalışmada da, kademeli ısıtılan, değişik katot malzemelerinde, LiFePO4 ‘un en az Oksijen salan madde olduğu anlaşılmaktadır. Orsijen salınımı az olunca, yanma ve Termal Çılgınlık da olmamaktadır. Kendi kendini, serbest oksijen azlığı nedeniyle, ısıtamayan LiFePO4 malzemeler şu anda piyasanın en güvenilir hücre tipini oluşturmaktadır.
Hiç şüphesiz halen daha fazla enerjiyi daha küçük bir alana depolayabilmek için çalışmalar dünya çapında devam etmektedir. Özellikle Anot malzemenin farklı malzemelerle kaplanması ile en azından +20 derece (yaklaşık 260 derece) kadar Termal Çılgınlık başlangıç derecesi elde edilebilmiştir.
Lityum Ion Bataryalarda Anot Malzeme, seçiminde yüksek kapasite, hızlı akım, formasyon döngüsünde geri dönüşü olmayan kayıp, güvenilirlik, dönüşüm (geri kazanım) gibi pek çok kritere göre seçilmektedir. Grafit anotlar Lityum’a oranla 50mV daha yüksek voltajdadır.
Li4Ti5O12 anot grafit elektrodlara oranla güvenilir bir alternatif olarak önerilmektedir. Bunların avantajları:
· Li Kaplamaya gerek olmaması,
· Grafit’e oranla daha az iç ısınma,
· Yüksek sıcaklıklarda, grafite oranla daha az sıcaklık açığa çıkartması,
· Li4Ti5O12 katottan Oksijeni emerek, hücrenin dengeli davranmasını sağlar.
· … ancak enerji yoğunluğu LiFePO4’a göre çok daha azadır.
LTO hücrelerde, LiFePO4’a oranla, aynı Watt-Saat enerji depolamak için, en az 2 misli yer gerekmektedir.
Farklı Anot, Katot ve Elektrolit (sıvı) malzeme seçimine bağlı olarak 200 – 300 derece aralığında giderek artan oranda (5 derece/ dakikadan) – (35 derece/dakikaya kadar) hızda Termal Çılgınlığa yol açılabilmektedir.
Son nokta olarak, hücrenin kendi kendine kısa devre olması, SOC, Enerji doluluğu ile de yakından ilgilidir. Hücre %100 SOC’ta (tam dolu) ise, hücre içi kısa devre ile, kısa sürede Termal Çılgınlık başlar. Ama %80 SOC ile dolu ise, 200 derecede ve %70 SOC’da ise rahatça tolere edilebilir.
Böylece hücrenin kendi içinde ve modül batarya süreçlerinde yaşanabilecek konuları toparlamış olduk. LiFePO4 hücrelerle, BMS sıcaklık kontrolu, Aktif balans ve iyi paketleme ile sorunsuz çalışılabilecektir. En uygun kimyadır.
LiFePO4 batarya normalde 0.5C ile şarj edilir. Daha yavaş şarj daha da iyidir.
LiFePO4 batarya normalde 1C ile deşarj edilir. 0.25C ile deşarj çok uygundur.
Bu değerler hücrenin ısınmaması ve dış darbelerin hücre içindeki etkisini azaltmak için aktarılmıştır.
Bir beyaz eşya üreticisi müşterimizde, tam da bu değerlerde, metal kasa ve metal batarya havuzu ve araç içi kullanım ile güvenilir ve sağlam bir çözüm oluşturuldu
11 Aralık 2023, SoliCELL Ankara
Comments