Bal Peteği Bataryası Katı Hal Bataryalarını Geride Bırakabilir

Dünyayı Elektrikleştirecek Piller

Battery technology is changing the world in countless ways. The most obvious example of this is EVs, but advanced batteries are also the driving force behind the growing importance of drones and other futuristic innovations like maglev, Hyperloop trains, and even mass drivers to conquer space.

They are also going to be essential in turning our power grid green by smoothing the energy production curves of solar panels in the evening and wind turbines on windless days.

Kaynak: Statista

Şimdilik, batarya teknolojisi lityum‑iyon teknolojisi tarafından yönlendiriliyor; bu keşif o kadar hayati ki 2019’da Kimya Nobel Ödülü’nü kazandı (keşfin tarihçesini özel makalemizde buradan okuyabilirsiniz).

Yine de, lityum‑iyon pillerin ciddi bir sınırlaması var. Zamanla, dendrit adı verilen metalik lityum çıkıntıları her şarj/deşarj döngüsünde biraz büyür. Bu, dendritlerin pil bileşenlerini delip kısa devre oluşturmasına yol açabilir. Böyle bir kısa devrenin tehlikesi, lityum‑iyon pillerin yanıcı elektrolitler kullanması nedeniyle pil yangınlarının çok sıcak ve söndürülmesi zor olmasıyla daha da artar.

Bu, LFP (Lityum‑Demir‑Fosfat) kimyası dahil olmak üzere tüm lityum‑bazlı pillerde bir ölçüde ortak bir sorundur. En azından şu ana kadar.

Kaynak: Nobel Prize

Uzun bir süre boyunca, alternatifin tamamen farklı bir kimya (örneğin sodyum‑iyon) ya da özellikle elektrolit kullanmayan katı hal pilleri gibi farklı bir pil konsepti olduğu düşünülmüştür.

Bu, aslında doğru olmayabilir. Önde gelen pil üreticisi CATL, yeni bir “bal peteği” tasarımının 5 yıl yoğun kullanım sonrası hiç bir bozulma belirtisi göstermeyen piller üretebileceğini duyurdu.

This design could be used to create batteries as energy-dense as solid-state batteries while still using mostly current technology.

Daha Fazla Güç Barındıran Bal Peteği Tasarımları

Pillerin bozulmasının ve dendrit oluşumunun temel nedeni, lityum iyonlarının anot matrisine girdiği her şarj/deşarj döngüsünde malzemenin büzülüp genişlemesidir.

Büzülme/genleşmeyi yönetmek, katı hal pillerinin geliştirilmesini engelleyen temel sorunlardan biridir. CATL, anot malzemesi için karmaşık bir bal peteği benzeri yapı geliştirerek bir çözüm bulduğunu iddia ediyor.

Bu fikir tamamen yeni değil; araştırmacılar tarafından, örneğin 2020 yılında “Yeni mikro‑bal peteği yapısına dayalı esnek lityum‑iyon pil” başlıklı bilimsel makalede önerilmişti.

Kaynak: Phys.org

Şirket, sadece 10 dakikada 600 km menzil ekleyebilen yeni bir LFP (lityum‑demir‑fosfat) pil duyurdu. Toplamda sürüş menzili 1.000 km’nin (600 mil) üzerine çıkabilir ve gelecekteki EV sahipleri için tüm “menzil kaygısını” tamamen ortadan kaldırır.

Genel olarak, bu, her saniye 1 km menzil şarj edilebileceği ve 1.000 km için tam şarjın 16,6 dakika süreceği anlamına geliyor.

Yeni Yoğunluk Rekoru

Bu etkileyici menzil, Shenxing pil sisteminin enerji yoğunluğunun ilk kez 200 Wh/kg eşiğini aşarak 205 Wh/kg’ye ulaşması sayesinde mümkün.

Bu, esasen malzemeyi doğru konumda tutan, şarj sırasında çatlak ve büzülmeyi önleyen bir “bal peteği” yapısı sayesinde elde edildi.

Şirket, elbette, üretim sürecinin detayları konusunda nispeten gizli, çünkü batarya teknolojisi şu anda dünyanın en rekabetçi alanlarından biri ve özellikle BYD’nin bir sonraki nesil bıçak pillerinin 190 Wh/kg seviyesinde çıkması bekleniyor. BYD’nin bir sonraki nesil bıçak pillerinin 190 Wh/kg seviyesinde çıkması bekleniyor.

Üretim Sırları

Bildiğimiz kadarıyla, “granüler derecelendirme/nanometre kapsülleme” adı verilen bir yöntem kullandılar; bu, hücre içindeki her nanometre parçacığını doğru konuma yerleştirebiliyor. Ayrıca, pilin iki kutbu arasındaki enerji iletimini hızlandırmak için “hızlı lityum‑iyon iletken kaplama”dan bahsettiler.

CATL fabrikaları yüksek derecede otomatikleştirilmiş olup, amiral gemisi fabrikasında yeni LFP pillerinden birini her saniye üretebiliyor.

2021 tarihli bir bilimsel makaleden, bal peteği şekillerinin bazı temel avantajlarını öğrenebiliriz; özellikle düşük yoğunluk ve yüksek düzlem dışı sıkıştırma ve kayma özellikleri (malzemelerin paralel fakat zıt yönlerdeki kuvvetlere karşı direnci).

Bal peteği grafen düzeni, silikon nanoparçacıkların kümelenmesini etkili bir şekilde önler, elektrik iletkenliğini artırır ve Li+ taşıma direncini azaltır.

CATL’nin bunu nasıl yaptığı net olmasa da, bu yöntemlerin bazıları biliniyor; örneğin, karbon ve asit ile ardışık termal ve kimyasal işlemler nano‑bal peteği yapısı oluşturabilir.

Kaynak: Chemistry Europe

Kaynak: Chemistry Europe

Diğer İyileştirmeler

Batarya teknolojisinde, her iyileştirme önemlidir çünkü birbirleriyle birleşerek pili daha yoğun hâle getirebilir. Bu da belirli bir menzil için gereken pil hacmini azaltır. Böylece toplam ağırlık azalır, menzil ve/veya gereken pil sayısı artar.

Bal peteği yapısına paralel olarak, CATL birkaç başka iyileştirme de duyurdu. CATL’nin yeni pil yoğunluğunu artıran faktörlerden biri, hücre‑gövde teknolojisini (CTB) optimize ederek pil paketindeki alanı en iyi şekilde kullanmasıdır. Bu, hacim verimliliğinde %7 iyileşmeye yol açtı.

Diğer özellikler arasında ultra yüksek soğutma verimliliğine sahip yüksek voltaj kutusu bulunuyor; bu, soğutma sisteminin enerji tüketimini azaltıyor. Ayrıca, bir AI zekâsı ile çalışan pil yönetim sistemi algoritması pilin güvenliğini sağlıyor.

Şarj Altyapısı

EV’leri şarj etme altyapısı uzun süredir sınırlayıcı bir faktör olmuştur; bunun temel nedeni, uzun bekleme sürelerini ve uzak bölgelerdeki şarj ağı boşluklarını önlemek için mevcut benzin istasyonları kadar yoğun bir ağ gerekliliğidir. Ancak, bu şarj istasyonlarının kapasitesi de bir sorun haline gelmektedir.

Piller, büyük güç yüklerini ve hızlı şarjı daha iyi kaldırdıkça, şarj istasyonlarının da daha yüksek kapasiteye ihtiyacı vardır. 1.000 km için 16 dakikalık hızlı şarj, 4C şarj sürecini gerektirir; bu da 100 kWh’lik bir pil için 400 kW’lık devasa bir şarj gücü demektir.

Bu nedenle, CATL o dönemde şarj altyapısı pazarına gireceğini duyurdu. Çin’de Shenxing Süper Hızlı Şarj Ağı’nı kurmaya başlayacak ve Star Charge, YKC ve Shudao New Energy gibi sektör lideri ortaklarla iş birliği yapacak.

Genel olarak, 31 il düzeyinde bölgede 271 ilçe seviyesindeki şehri kapsayan 600 hizmet noktası planlıyor. Pil temini, şarj ağları ve pil denetimi ve bakımı gibi hizmetler, kapalı döngü bir ekosistem oluşturmayı hedefliyor.

LFP ve EV Ötesinde

Kamu Ölçeği

CATL, sodyum‑iyon yerine lityum‑bazlı kimyayı değerlendirdikten sonra, yüksek kapasiteli pil pazarında giderek daha aktif ve lityum‑bazlı kimyaya yeniden ilgi gösteriyor gibi görünüyor.

En dikkat çekeni, TENER konteynerli pil sistemi kullanan bir pilot projenin, tam 5 yıl operasyon sonrası kapasitede sıfır bozulma gösterdiğini açıklaması.

Kaynak: Sustainability Environment

“TENER’i hayata geçirmek için şirket, biyomimetik iyon kanalları ve yüksek stabiliteye sahip bir SEI ile birlikte, kendiliğinden oluşan elektrolit teknolojileri kullanarak “yaşlanmayan enerji depolama sistemi” olarak adlandırdığı bir yapı kullandı.

En son teknoloji ve olağanüstü üretim yetenekleri temelinde, yüksek derecede aktif lityum metallerinin zorluklarını çözdük […], bu da oksidasyon reaksiyonundan kaynaklanan termal istikrarsızlığı etkili bir şekilde önlemeye yardımcı oluyor.”

TENER’in benzeri görülmemiş performansı, sabit pil depolama denklemini tamamen değiştirebilir; çünkü bozulma olmaması, çok daha iyileştirilmiş bir güvenlik profili anlamına gelir. Ayrıca, çok daha uzun ömürlü bir pil paketi vaat ederek amortisman hesabını da değiştirir; bu, hizmet şirketleri için kritik bir noktadır.

Dolayısıyla, diğer kimyalar bu pazarı hâlâ kazanabilir; bunu “Enerji Depolamanın Geleceği – Yüksek Kapasiteli Pil Teknolojileri” başlıklı yazımızda tartıştık. Ancak, lityumun da hizmet pazarını kazanması mümkün; bu pazar, devasa ve büyüyen EV pazarından bile daha büyüktür.

Kondanse Durum

Ayrıca, bal peteği yapılarının 2023’te ortaya çıkan ve yakında ticarileştirilmesi beklenen “kondanse durum” pilinin arkasında olabileceği de mümkündür.

Bu lityum piller (LFP değil) 500 Wh/kg enerji yoğunluğuna sahip olduğu iddia ediliyor; bu, yakın zamanda duyurulan LFP pillerinden 2,5 kat daha büyük.

Bu proje için henüz bir fiyat belirlenmedi, bu yüzden CATL’nin yaklaşan ürün serisi şu şekilde görünüyor:

1. Kondanse durum, yüksek segment EV’ler ve hatta elektrikli uçaklar gibi yeni pazarlar için 500 Wh/kg.
2. Gelişmiş LFP, orta fiyatlı EV’ler için 200 Wh/kg; doğru şarj altyapısıyla 1.000 km menzil 16 dakikada şarj edilebilir.
3. Sodyum‑iyon, daha düşük menzilli düşük maliyetli EV’ler için.

Bu karışımda katı hal pillerinin nerede konumlanacağı belirsiz. Bazı yatırımcılar, katı hal tasarımının 1. neslinin, CATL’nin gelişmiş LFP ve kondanse durum pillerinin üretim ölçeği karşısında rekabet edemeyebileceğinden endişe duyabilir.

Kaynak: Nature

Gelişmiş Pil Teknolojilerine Yatırım

Piller, fosil yakıtları enerji kaynaklarımızdan kaldırmayı amaçlayan çoklu trilyon dolarlık bir çabanın merkezinde yer alıyor.

Birçok aracı kurum aracılığıyla pil ile ilgili şirketlere yatırım yapabilirsiniz ve burada, securities.io’da, ABD, Kanada, Avustralya, Birleşik Krallık ve diğer birçok ülkedeki en iyi aracı kurum önerilerimizi bulabilirsiniz.

Belirli pil şirketlerini seçmekle ilgilenmiyorsanız, Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’in Lithium & Battery Tech ETF (LIT) veya WisdomTree (WT ) Battery Solutions UCITS ETF gibi pil ETF’lerine de göz atabilirsiniz; bu fonlar, büyüyen pil endüstrisinden faydalanmak için daha çeşitlendirilmiş bir maruziyet sağlayacaktır.

Gelişmiş Pil Şirketleri

1. CATL (300750.SZ)

CATL’nin teknolojik liderliğinden zaten bahsettik. Şirket, küresel pil üretiminde lider konumda olup, dünya pil hacminin yarıdan fazlasını üretiyor. Pil üretim tedarik zincirinin her aşamasında yer alıyor ve pil teknolojisinde lider.

Bu, lityum‑iyon piller için de geçerli; şirket uzun süredir köklü bir lider. Şimdi ise son duyuruyla karşılaştırıldığında daha küçük görünüyor.

CATL, geçmişte birden fazla pil tipi üzerinde etkileyici ilerlemeler duyurmuştu :

• Kamu ölçeğinde enerji depolama için 12.000 döngülü ultra uzun ömürlü pil, uzun vadeli hedef olarak 18.000 döngü.
• 10 dakikada 400 km menzil şarj eden 700 km menzilli LFP (Lityum‑Demir‑Fosfat) pil, şimdi son duyuruyla karşılaştırıldığında küçük görünüyor.
• 500 Wh/kg, yolcu uçaklarının elektrifikasyonunu mümkün kılabilecek bir pil.
• 160 Wh/kg sodyum‑iyon pillerinin seri üretimi, hedef 200 Wh/kg.

Kaynak: CATL

Kaynak: CATL

CATL, Çin’de pil geri dönüşüm kapasitesine 3,25 milyar dolar yatırım yaptı. CATL, nikel, kobalt, manganez için %99,6 ve lityum için %91 gibi olağanüstü bir geri kazanım oranı elde etti.

Ölçeği, odaklanması ve Ar‑Ge başarıları sayesinde, CATL pil yeniliği, üretimi ve geri dönüşümünde öncü konumda olmaya devam edecek.

Bu, Tesla (TSLA ), NIO, Ford, Stellantis vb. EV üreticileri için onu kilit bir ortak yapıyor; Hyundai de yakın zamanda CATL’nin stratejik ortaklık kümesine eklendi.

Ayrıca, bir kimyada öğrenilen dersler diğerine uygulanabilir; bu yüzden yakında bal peteği veya kondanse durum sodyum‑iyon pillerini görebiliriz. Dünya pillerinin yarısını üreten ölçek ekonomileri, bireysel ürünlerde kullanılan teknoloji ne olursa olsun, tüm şirket için geçerli olacaktır.

2. BYD (BYDDY)

EV pazarında uzun süredir Tesla’ya rakip olan BYD, sadece Tesla için değil, neredeyse tüm otomobil üreticileri için ciddi bir rakip haline geldi.

Şirket, lityum‑iyon telefon pilleri tedarikçisi olarak başladığı konumdan, Çin’de (dünyanın en büyük EV pazarı) Tesla’ya yakın sayıda EV satışı yapmaya ve Tayland, İsveç, Avustralya, Yeni Zelanda, Singapur, İsrail ve Brezilya’da en çok satılan EV olmaya evrildi.

BYD, Çin’in 2023’te Japonya’yı geçerek dünyanın en büyük otomobil ihracatçısı olmasının büyük bir nedeni; şirketin agresif dış genişlemesi, Macaristan gibi yeni fabrikalarla da destekleniyor.

$10.000‑$12.000 fiyat aralığındaki Seagul gibi sodyum piller kullanan arabaların piyasaya sürülmesiyle BYD EV’leri için tamamen yeni bir pazar açılabilir.

Kaynak: By User3204 – Own work, CC BY-SA 4.0,

Temelinde hâlâ bir pil üreticisi olan BYD, Çin’de %41,1 pazar payı (CATL’nin %33,9’una kıyasla) ile LFP (lityum demir fosfat) pil pazarında CATL’ye ciddi bir rakip.

BYD’nin Avrupa ve Amerika pazarlarına sunduğu ucuz EV “seli”, muhtemelen bazı korumacılık seviyeleriyle (son zamanlarda uygulanan tarifelerin bile üzerindeki) karşılaşacak ve BYD’nin büyümesini engelleyebilir.

Aynı zamanda, ucuz Çin EV’leri zaten dünyanın geri kalanında büyük bir başarı elde etti; bu bölgelerde yerli otomobil üreticileri çok az olduğu için (Güney Amerika, Rusya, Afrika, Orta Doğu ve Güneydoğu Asya dahil) koruma ihtiyacı düşük.

Bu, BYD için birkaç milyar potansiyel müşteriyi temsil ediyor; bu ülkeler jeopolitik denge kurmak ve hem Batı hem de Çin ile iyi ilişkiler sürdürmek istiyor, bu yüzden çok güçlü korumacılık engelleri oluşturması muhtemel değil.

Ve hatta AB ya da ABD’de bile, BYD rekabetçi kalabilir; çünkü yerel EV üreticilerinin fiyatları Çin fiyatlarına göre çok daha yüksek ve bu pazarlar için üretimin Çin dışına yerelleştirilmesi (örneğin Doğu Avrupa, Meksika veya Türkiye gibi) avantaj sağlıyor.