Özellikle elektrikli araçlar ile birlikte lityum bataryalar veya lityum aküler, günümüzde hiç olmadığı kadar popüler; cep telefonlarında, dizüstü bilgisayarlarda, elektrikli ev aletlerinde ve artık elektrikli araçlarda. Yani lityum bataryalar neredeyse hayatımızın her alanına girmiş durumda. Bu yüzden, lityum bataryalar hakkında temel bilgilere sahip olmak, lityum batarya kullanan bir elektronik cihazı veya bir elektrikli aracı satın almadan önce doğru kararı vermek adına daha da önemli hale gelmiştir. Bu blog yazımızda, lityum bataryaları daha iyi anlamanıza yardımcı olacağını düşündüğümüz için lityum batarya çeşitleri üzerinde duracağız.
Lityum bataryalar, aynı kurşun asit bazlı akülerdeki mantık gibi, anot ve katot aktif malzemeleri arasındaki lityum iyonlarının hareketi ile şarj ve deşarj operasyonunu gerçekleştirirler. Anot aktif malzemesi (veya negatif elektrot) günümüzde tipik olarak bakır folyo üzerine kaplanmış grafitten oluşur. Katot aktif malzemesi ise tipik olarak metal oksitlerden oluşur. İşte bu noktada, katot malzemesini oluşturmak için kullanılan metal oksit lityum bataryanın çeşidi belirleyen faktördür. Başka bir deyişle, li-ion bataryanın türü sahip olduğu katot aktif malzemesinde kullanılan metal oksidin türüne göre değişir.
Günümüzde içerisinde kullanılan katot malzemesi türüne göre 6 yaygın lityum batarya çeşidi mevcuttur. Bunların neler olduğunu paylaşırken, aralarındaki temel farkları 6 kriter üzerinden listeleyeceğiz:
Özgül Enerji (Specific Energy): Lityum bataryaların birim ağırlıkları başına düşen depoladıkları enerjidir. Birimi Wh/kg olan özgül enerji, bir lityum bataryanın sahip olduğunu enerji yoğunluğunu ifade eder.
Özgül Güç (Specific Power): Lityum bataryaların birim ağırlıkları başına sağlayabilecekleri güç miktarıdır. Birimi W/kg olan özgül enerji, bir lityum bataryanın anlık güç taleplerine karşı akım sağlayabilme kabiliyetini ifade eder.
Güvenlik: Şarj ve deşarj operasyonları sırasında lityum bataryanın ne kadar güvenli olduğunu ifade eder.
Performans: Ekstrem sıcaklıklarda lityum bataryanın sergilediği performansı ifade eder.
Ömür (Lifespan): Lityum bataryanın ne kadar uzun kullanılabileceğini ifade eder.
Maliyet: İçerisinde kullanılan hammaddelerin bulunurluğu ve satın alma fiyatları ile birlikte üretim kolaylığına bağlı olarak lityum bataryaların sahip olduğu maliyet seviyesini ifade eder.
Farklı Lityum Batarya Türlerinin Karşılaştırılması (kaynak: Miao et al, Baylor Üniversitesi)
1.Lityum Nikel Manganez Kobalt Oksit (Kısaltılmışı: NMC)
NMC katotları tipik olarak büyük oranda nikel içerirler ve bu yüzden yüksek enerji yoğunluğuna sahiptirler. Nikel kullanımı bataryada istikrarsızlık meydana getirebileceğinden, termal stabiliteyi ve güvenliği artırmak için manganez ve kobalt maddeleri de kullanılır. İçerisinde kullanılan nikel, manganez ve kobalt yoğunluğuna göre lityum bataryalara kombinasyon numarası verilir. Örnek vermek gerekir ise, NMC811 kombinasyonu lityum bataryanın katot malzemesinin %80 Nikel, %10 Manganez ve %10 kobalt maddesinden meydana geldiğini belirtir. Yüksek enerji yoğunluğu sebebi ile elektrikli araçlarda tercih edilmesi, elektrikli araçların tek şarj ile daha uzun menzillere ulaşabilmesini sağlar. Bunun yanında cep telefonlarında, dizüstü bilgisayarlarda ve portatif güç istasyonlarında yaygın olarak NMC lityum bataryalar kullanılır.
2.Lityum Nikel Kobalt Alüminyum Oksit (Kısaltılmışı: NCA)
Özgül enerji ve özgül güç bakımından NMC ile aynı avantajlara sahiptir. Ancak NMC'nin aksine kararlılığı artırmak için kobalt yerine alüminyum tercih edilir. NCA teknolojisine sahip katotlar, NMC, LFP, LMO ve LTO çeşitlerine göre daha güvenlidir. LTO hariç diğer çeşitlere göre ise daha pahalıdır. Yaygın olarak yüksek performanslı elektrikli araçlarda kullanılan NCA lityum bataryalar, uzun akü ömrüne ihtiyaç duyan dizüstü ve cep telefonu gibi elektronik cihazlarda da kullanılabilmektedir.
3.Lityum Demir Fosfat (Kısaltılmışı: LFP)
NMC ve NCA'da kullanılan nikel ve kobalt yerine demir ve fosfatın kullanıldığı LFP (veya LifePO4) lityum bataryaları nispeten nikel kullanılan çeşitlere göre daha ucuzdur. Özgül enerjileri daha düşük olan LFP lityum bataryaları, sahip oldukları yüksek özgül güç ve ömürlerinin yanında sahip oldukları yüksek güvenlik dolayısı ile yaygın olarak enerji depolama sistemlerinde kullanılır. Kısa menzilli elektrikli araçlar ve ev tipi güç bankaları (powerbank) diğer kullanım alanlarıdır. Son zamanlarda Tesla, BYD ve Volkswagen gibi elektrikli araç üreticilerinin LFP lityum bataryaların NMC bataryalara göre daha fazla potansiyelinin olduğunu belirtmeleri, LFP lityum batarya teknolojisi alanında hızlı gelişmeler olabileceğini göstermektedir.
Mullinix L Serisi 200Ah LifePO4 Akü
LCD ekranı sayesinde Şarj Durumu (SOC), voltaj ve sıcaklık görüntüleme sağlamasının yanında otomatik kendinden ısıtma fonksiyonu. %80 DOD'de 4000 çevrim sayısı
4.Lityum Kobalt Oksit (Kısaltılmışı: LCO)
Yüksek enerji yoğunluğuna (özgül enerji) sahip olmalarına rağmen, LCO lityum bataryalar kısa kullanım ömrü, düşük güvenlik ve sınırlı özgül güç gibi dezavantajlara sahiptirler. Nispeten daha düşük özgül güce sahip olmaları, LCO lityum bataryaları cep telefonu ve dizüstü bilgisayar gibi düşük güç gerektiren uygulamalar için bir seçenek haline getirmiştir.
5.Lityum Manganez Oksit (Kısaltılmışı: LMO)
LMO lityum bataryalar gelişmiş güvenliklerinin yanında hızlı şarj ve deşarj özellikleri sunabildiklerinden dolayı elektrikli bisikletlerde, tıbbi ekipmanlarda, matkap ve tornavida gibi elektrikli küçük cihazlarda yaygın olarak kullanılır. LMO lityum bataryaların en temel özelliği kısa sürede çok fazla enerji sağlayabilmeleridir.
6.Lityum Titanyum Oksit (Kısaltılmışı: LTO)
LTO lityum bataryalar henüz çok fazla bir kullanım alanına ulaşabilmiş değildir. Sundukları çok üzün ömürleri ve ekstrem sıcaklıklarda sahip oldukları yüksek performans sebebi ile umut verici bir teknoloji olarak görülse de, düşük enerji yoğunluğu ve yüksek maliyeti kullanım alanlarının genişlemesini sınırlamaktadır.
Sonuç Olarak
En yaygın olarak kullanılan 6 ana lityum batarya çeşidini özetlemeye çalıştık. Ancak bu lityum batarya çeşitlerinin birbirleriyle rekabet halinde olduğunu düşünmemeliyiz, tam aksine her birinin sahip oldukları özelliklere göre farklı kullanım alanları vardır. Doğru özelliklere sahip bir lityum bataryanın doğru bir alanda kullanımı, elektrifikasyon açısından en iyi ve en verimli sonucu verecektir.