Bataryalar ve Batarya Çeşitleri

Bataryalar, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren cihazlardır. Bataryalar hücrelerden, hücreler de bir elektrolit ile pozitif ve negatif anotlardan oluşmaktadır. Elektrolit ve elektrotlar arasındaki kimyasal reaksiyon sonucu DA elektrik üretilmektedir [115].

Elektrikli araçlarda kullanılan bataryaların uzun ömürlü, yüksek özgül güç, yüksek özgül enerji ve uzun çevrim ömrüne sahip olması istenmektedir. Elektrikli araçlarda en çok tercih edilen enerji depolama ünitesi olarak kullanılan bataryaların başında lityum-iyon bataryalar gelmektedir. Lityum-iyon bataryalar diğer bataryalara nazaran daha hafif olurken; enerji yoğunlukları ise oldukça

yüksektir. Menzillerinin 150 km civarında olması ve CO2 salınımını ciddi oranda

azaltması şehir içi kullanımı için bu bataryaları avantajlı kılmaktadır [116].

Batarya, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir elektrokimyasal hücre olup (Galvanik hücre olarak da bilinir); bir elektrolit (aynı zamanda elektronik olarak yalıtıcı bir ortam olan iyonik bir iletken) ile ayrılmış bir anot ve bir katottan oluşmaktadır. Elektronlar anotta üretilir ve dış devre boyunca katoda doğru akar. [117, 118]. Çizelge 3.2’de çeşitli batarya tiplerinin özellikleri verilmiştir.

Çizelge 3.2. Çeşitli batarya tiplerinin özellikleri [119, 120].

BEA'larda kullanılan iki ana pil tipi nikel metal hidrit (NiMH) ve lityum-iyon (Li- ion) bataryalardır [121]. NiMH bataryalar çoğu zaman HEA'larda (örneğin Toyota Prius) bir içten yanmalı motorla (İYM) birlikte kullanıldıklarında ikincil enerji kaynakları olarak kullanılırken, Li-ion bataryalar Nissan gibi BEA'larda birincil enerji kaynakları olarak kullanılmaktadır. Örneğin; Nissan Leaf ve Mitsubishi iMiev gibi 35.000 dolarlık 5 kapılı Nissan Leaf BEA, 24 kWh kapasite sağlayan ve sıfır şarj durumundan standart bir ev prizinden tam şarj etmek için 12 saate kadar (48 modül) güç sağlarken; 3 fazlı bir AC prizinden ise 30 dk güç sağlamaktadır [119].

YP araçlarda kullanılan bataryalar, ultrakapasitörden daha yüksek özgül enerjiye sahiptir, bu nedenle daha uzun süre ekstra güç sağlayabilmektedir. Tipik olarak, günümüzün ticari olarak temin edilebilen ultra kapasitörleri karşılaştırılabilir ağırlıktaki bir pilin enerjisinin sadece onda birine sahiptir. Bununla birlikte, ultra kapasitörler bir pilden çok daha hızlı enerji sağlar ve pil üreticileri tarafından da pazarda hızla yer kazanmıştır [122, 123].

3.2.5.1. Kurşun Asit Bataryalar

Kurşun asitli bataryalar, yaygın kullanım ve maliyetinin düşük olması sebebiyle sıklıkla tercih edilmektedir [124]. Bu bataryaların, bakım gerektirmemesi ve ucuz olması avantajları arasında sayılırken, ağır ve enerji yoğunluğu düşük olması ise dezavantajları arasındadır. Bu bataryalar, İYM’li araçlarda da yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, elektrikli araçlarda kullanılan kurşun asit bataryalar, İYM’li araçlarda kullanılan bataryalara göre daha uzun ömürlü olup, tasarımları da daha farklı ve pahalıdır [125].Kurşun asit bataryalar, kW-saat dolum açısından en ucuz olan yeniden şarj edilebilen bataryalar olmasına rağmen; spesifik enerjileri düşük olduğundan uzun menzilli araçlarda kullanımı ise zordur [115].

3.2.5.2. Nikel Bazlı Bataryalar

Nikel bazlı bataryalar dört grupa ayrılır: nikel demir, nikel çinko, nikel kadmiyum ve metal hidrürdür. Nikel kadmiyum bataryalar, elektrikli araçlarla ve diğer birçok uygulamada kullanılmaktadır. Bu bataryaların avantajları; yüksek özgül güç, uzun ömür ve iyi denilebilecek uzun menzilli depolaması sarsıntılara karşı oldukça dayanıklı olmasıdır.

3.2.5.3. Metal-Hava Bataryaları

Elektrikli araçlarda kullanılan diğer bir batarya türü metal-hava bataryalarıdır. Çinko ve alüminyum bu bataryalarda en fazla kullanılan metal elektrotlardır. Metal hava bataryalarında, ince gaz geçirgen katot ve potasyum hidroksit gibi alkali su bazlı elektrolit kullanılmaktadır [125]. Metal hava bataryalarında bulunan metal elektrotlar tükendikleri zaman yenileriyle değiştirilmektedir. Bu nedenle metal elektrotlar bir çeşit yakıt gibi düşünülmektedir [115].

3.2.5.4. Sodyum Bazlı Bataryalar

Sodyum bazlı bataryaların çalışma sıcaklıkları yüksek olduğundan dolayı elektrikli araçlar için uygundurlar. Bu bataryalar, kurşun asit bataryalar ile kıyaslandığında, spesifik enerjilerinin daha fazla olduğu görülmektedir. Batarya, negatif sıvı sodyum elektrotu ve pozitif sıvı sülfür elektrotundan meydana gelmektedir. Elektrolit ise sodyum iyonlarını yönlendiren ve iki elektrotu ayıran bir çeşit katı seramiktir. Ancak,

elektrolitin seramik olması güvenlikle ilgili birtakım endişelerin oluşmasına neden olmakta ve bu endişeler denemeler sırasında oluşan yangınlar ile birlikte desteklendiğinden, bu batarya ticari olarak fazla gelişememiştir[115].

3.2.5.5. Lityum İyon Bataryalar

Lityum bataryalar, enerji yoğunlukları oldukça iyileştirilmiş olan bataryalardır. Ancak, diğer tekrar şarj edilebilen bataryalara göre daha yüksek maliyete sahiptirler. Bu bataryalar, pozitif elektrot olarak lityumlu bir metal oksit ve negatif elektrot olarak lityumlu bir karbondan oluşmaktadır. Bu bataryaların en önemli özelliği, hücreler doldurulurken gerilimin belirli bir değerde olması gerektiğidir. Bu nedenle batarya ile birlikte şarj aletleri de geliştirilmektedir [115]. Lityum iyon bataryaların en önemli avantajları, diğer bataryalara nispeten daha hafif olması ve yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmasıdır. Bu yüzden, gelişimini tamamladıklarında, elektrikli araç uygulamalarında en çok tercih edilen bataryalar olacağı düşünülmektedir.

3.2.5.6. Alüminyum Hava Bataryaları

Alüminyum hava bataryalarında bulunan alüminyum, havadaki oksijen ve suyla birleşerek alüminyum hidroksit oluşturmakta ve bu kimyasal reaksiyon sonucu elektrik enerjisi açığa çıkmaktadır [126]. Bu tip bataryaların negatif elektrotu alüminyumdan oluşmaktadır. Kullanılmış olan negatif elektrotların değiştirilmesi ile batarya yeniden doldurulmaktadır.

Alüminyum hava bataryalarının en büyük dezavantajı, düşük özgül güce sahip olmalarıdır. Elektrikli araç için gerekli olan güce erişebilmek için çok ağır bataryalar kullanılması gerektiğinden kullanışlı değillerdir.

3.2.5.7. Çinko Hava Bataryaları

Çinko hava bataryalarında bulunan çinko, havadaki oksijenle birleşerek çinko oksidi oluşturmakta ve böylece enerji üretilmektedir. Çinko hava bataryaları, alüminyum hava bataryalarına nazaran daha yüksek spesifik güce sahiptirler. Bu nedenle alüminyum hava bataryalarına göre daha kullanışlıdırlar.