Lityum İyon Batarya Çeşitleri | LFP, NMC Pil Hücreleri

30 yıl önce hayatımıza giren lityum iyon pil, elektrik enerjisinin yüksek miktarda depolanabilmesini sağlayan ve yüzlerce sektörde devrim etkisi yapan bir icat oldu. Günümüzde telefon ve dizüstü bilgisayar gibi tüketici elektroniği ürünleriyle özdeşleşmiş olan lityum bataryaları bu yazıda elektrikli araçlar üzerinden ele alacağız.

Lityum iyon pilin ortaya çıkmasına kimine göre 1970’lerdeki petrol krizi sonrası petrolün yerini alacak daha üstün bir enerji depolama çözümü arayışı, kimine göre ise transistörün bulunmasıyla taşınabilir elektronik aygıtların ihtiyaç duyduğu yüksek enerji ihtiyacı vesile oldu. Neden ortaya çıktığına dair kesin bir cevap olmasa da günümüzde lityum bataryanın insan hayatının merkezinde yer alan önemli bir icat olduğu bir gerçek.

Lityum iyon pil; elektrik enerjisini depolamak için lityum iyonlarını kullanan, genel olarak anot, katot, elektrolit ve seperatör olmak üzere dört ana unsurdan oluşan, enerji ve güç yoğunluğu yüksek depolama çözümüne verilen addır. Bir elektrikli araç, binlerce pil hücresinin bir araya gelmesiyle oluşan yüzlerce kilo ağırlığındaki batarya paketinden beslenmektedir. Bu bataryaların içinde şekil, boyut ve katot kimyası bakımından farklı pil hücreleri kullanılabilmektedir.

Lityum İyon Pil Çeşitleri

Elektrikli araçlarda şekil açısından üç ana hücre tipi bulunmaktadır. Bunlar; silindirik, prizmatik ve kesecik pil hücreleridir. Silindirik hücre, pil içerisindeki unsurların rulo gibi sarılması, metal bir muhafaza içerisine yerleştirilmesi ve elektrolit doldurulup kutup başının yerleştirilmesiyle üretilmektedir. Prizmatik ve kesecik hücrelerde ise anot, katot gibi pil unsurları rulo yerine birbiri üzerine katlanarak ya da üst üste koyularak paketlenmektedir.

Dünyanın ilk lityum iyon bataryalı elektrikli otomobilini üreten Tesla, araçlarının büyük bölümünde silindirik piller kullanmaktadır. Elektronik sektöründe yaygın şekilde kullanılması ve üretim maliyetinin nispeten düşük olması nedeniyle silindirik pillere rağbet oldukça yüksek. Ancak son dönemde hem üretim kolaylığı hem de silindirik tasarıma kıyasla yüksek enerji yoğunluğu sayesinde prizmatik hücre tipi de hızla yaygınlaşmaktadır.

Batarya sektöründe büyük hücre tasarımlarına ilginin artmasıyla pazar payını artıran prizmatik piller, özellikle CATL, BYD gibi Çinli lityum iyon batarya devleri tarafından tercih ediliyor. Araç bataryalarında kullanılan pil sayısını daha büyük hücre tasarımlarıyla azaltabilen firmalar, gelişen termal yönetim sistemleri sayesinde enerji yoğunluğunu artırırken termal verimliliği de düşürmemiş oluyor.

Son olarak kesecik türü piller, birbiri üzerine yığınlanmış anot/katot/seperatör katmanlarından oluşup prizmatik şekilde paketlenip elektrikli araçlara yerleştirilmektedir. Kesecik tarzı hücreleri yüksek enerji yoğunluğu ve esnek yapısı sayesinde birçok elektronik aygıtta bulmak mümkündür. Halihazırda elektrikli araçlara yönelik kesecik hücreli batarya üretimi yapan en büyük isim, yerli otomobil Togg’un tedarikçisi olan Çinli Farasis’tir.

Pozitif elektrot, yani katot kimyası açısından incelendiğinde ise yine üç seçenek öne çıkıyor: LFP (Lityum Demir Fosfat), NMC (Nikel Mangan Kobalt) ve NCA (Nikel Kobalt Alüminyum). Lityum iyon piller uzun süredir kullanımda olsa da elektrikli araçlara entegre edilmesi saydığımız katotların geliştirilip/güncellenip üretime girmesiyle mümkün olabilmiştir. Zira telefon, bilgisayar gibi aygıtlarda kullanılan LCO, LMO katotlu piller, mevcut halleriyle bir otomobilin ihtiyaç duyduğu enerjiyi hem makul ağırlığa, uygun maliyete sahip hem de uzun ömürlü bir bataryada depolama imkanı sağlayamamıştır.

ABD’de Argonne Ulusal Laboratuvarı’nda geliştirilen NMC, sektörün en büyük keşiflerinden biri olmuştur. Bol miktarda nikel ve nispeten daha az oranda mangan ile kobaltın bir araya gelmesi sonucu oluşan katot aktif materyal, bir lityum pilin enerji yoğunluğunu 300 Wh/kg seviyesine çıkarabilen ticarileşmiş yegane çözümdür. NMC, gerek enerji gerekse güç yoğunluğu açısından değerlendirildiğinde elektrikli araçlar için en uygun pil çözümü konumunda. Ancak üretimi için gerekli olan materyallerin tedarik problemleri ve yüksek maliyet gibi sebeplerle alternatif arayışları sürmektedir.

Üretiminin neredeyse tamamı Çin’de yapılan LFP piller, NMC katotlu çözümlerin en ciddi rakibidir. Mart 2022 itibarıyla elektrikli araç sektöründe kullanımı %20’ye ulaşmıştır. Doğada bolca mevcut olan demir ve fosfor gibi ucuz elementlerin kullanıldığı LFP katot, hem ucuz hem de daha uzun ömürlü bataryaların üretimini mümkün kılmaktadır. Üstelik dış müdahale, çarpma, parçalanma durumunda NMC’nin aksine patlama riski çok düşük olduğu için elektrikli araç güvenliğini de artırmaktadır.

NMC ile benzer yapıda olan NCA ise, nikeli dengeleyici materyal olarak mangan ve kobalt yerine alüminyumun kullanılmasıyla oluşturuluyor. NCA katotlu hücreler, yüksek maliyetine rağmen güç ve enerji yoğunluğundaki üstünlüğü sebebiyle ilk yıllarında Tesla tarafından tercih edilmiştir. Kobaltın üretimiyle alakalı insanî açıdan yaşanan sıkıntılara ve artan kobalt fiyatlarına karşı firma, zamanla pillerinde kobalt kullanımını azaltarak yüksek nikelli katot kimyasına yönelmiştir. NCA pillerin dünyadaki en büyük üreticisi, Tesla’nın Giga Nevada fabrikasındaki üretici ortağı Panasonic’tir. NCA katot materyallerinin üretim faaliyetleri de yine büyük oranda Japon firmaların kontrolündedir.

LFP vs NMC

1 kWh maliyeti 100 doların altında olan LFP, ucuz olsa da hem enerji hem de güç yoğunluğu açısından NMC kadar iyi sonuç veremiyor. Halihazırda üretimi yapılan LFP katotlu pillerin nominal voltajı 3,0-3,2V ve batarya paketi seviyesinde enerji yoğunlukları 90-160 Wh/kg aralığında. Nominal voltajı 3,7V olan NMC pillerde ise enerji yoğunluğu 150’den başlayıp 300 Wh/kg seviyesine kadar çıkabiliyor.

LFP’nin de NMC’ye karşı önemli avantajları bulunmaktadır. Bunlar; termal stabilitesinin yüksek olması, düşük voltaj sayesinde elektrikli araçlarda %100 şarjda kalmasında sakınca olmaması, NMC katotlu pillere kıyasla kullanım ömrünün çok daha uzun olması, NMC’den daha az ısı yayması sayesinde daha büyük hücre tasarımlarında kullanılabilmesi.

Lityum Batarya Üreticileri ve Ürettikleri Pil Hücreleri

Yazımızın son kısmında dünyadaki başlıca lityum iyon pil üreticileri ve ürettikleri pilleri hücre, katot tipine göre sıraladık. Listede en dikkat çeken isimler, küresel piyasaların en büyük isimleri olan CATL ve BYD. Ağırlıklı olarak prizmatik LFP katotlu piller üreten ikili, Çin’in LFP pil pazarında %90 üstü hakimiyete sahip olmasını sağladı. Yakında LG ESS/Chem, Samsung SDI gibi isimler de LFP pil üretimine başlayacak olsa da Çinlilerin yıllar önce lisansladığı LFP patentleri, CATL ve BYD’yi dünyanın en iyileri arasına sokmaya yetti.

Listedeki en yeni oyuncu olan Tesla, 2021’den beri kobalt kullanımı oldukça düşük NMC silindirik piller üretiyor. 4680 ölçülerdeki bu piller, Tesla’nın Teksas’ta ürettiği elektrikli araçlara entegre ediliyor. Yakın vadede tüm Tesla otomobillerde 4680 tipi pillerin kullanılması bekleniyor.

Küresel batarya üreticileri arasında sadece NCA katot kullanan Panasonic, sadece kesecik hücre tipiyle üretim yapan Farasis ve istikrarlı bir şekilde uzun ince LFP pil hücreleriyle yoluna devam eden BYD dikkat çekiyor. Tüm listeyi aşağıda bulabilirsiniz. Ekleme yapmak, hata bildirmek için yorum kısmını kullanabilirsiniz.

Lityum iyon piller ile alakalı oldukça başarılı içerikler üreten Youtube kanalı The Limiting Factor tarafından yayınlanan pillerin çalışma prensibiyle alakalı aşağıdaki videoyu izlemenizi tavsiye ederiz.

Bazı Kaynaklar

• Kitap: Batteries for Sustainability – Selected Entries from the Encyclopedia of Sustainability Science and Technology, Ralph J. Brodd, Yayınevi: Springer
• The rise of LFP batteries in electric vehicles
• Tesla’s shift to LFP cells to shake global battery industry
• Niculuţǎ, Marian-Ciprian & Veje, Christian. (2012). Analysis of the thermal behavior of a LiFePO4 battery cell. Journal of Physics Conference Series. 395. 2013-. 10.1088/1742-6596/395/1/012013.
• Lithium-ion pouch batteries spurs future developments in new energy
• Tesla – Model 3 Owner’s Manual