Enerji Depolama Sistemlerinde Batarya Teknolojisi: Bugünden Gelecege. Batarya Sistemlerinde Geri Dönüsüm: Güncel Prosesler ve Teknolojiler

(1)

Dr. Pinar Kaya

Materials Research Institute (IMFAA) Aalen University

Enerji Depolama Sistemlerinde

Batarya Teknolojisi:

Bugünden Gelecege

Batarya

Sistemlerinde Geri Dönüsüm:

Güncel Prosesler ve Teknolojiler

Dr. Gizem Hatipoglu

Fraunhofer Research Institution for Materials Recycling and Resource

Strategies (IWKS)

TMMB-YÖTG Webinar

(2)

- Eskisehir Technical University

(Anadolu University), Material Science and Engineering

-Technische Universität Hamburg Harburg, Materials Science and Engineering, (TUHH)- Erasmus student

- Eskisehir Technical University (Anadolu University), Nanotechnology

- University of LEEDS, Leeds Electron Microscopy and Spectroscopy Centre (LEMAS)- Visiting Researcher

- Max-Planck Institute for Solid State Research (MPI-FKF), Physical

Chemistry of Solids, Stuttgart, GERMANY

BSc (2007)

MSc (2010)

PhD (2017)

Post-Doctoral Fellowship (2017-2018)

Visiting Scholar (2018-2020)

Team Leader-[Functional Ceramics]

(2018-….)

- Materials Research Institute (IMFAA), Aalen University of

Applied Science, Aalen, GERMANY

Research & Teaching Assistant (2011-2014)

Physikalische Festkörperchemie

Aalen University

Dr. Pinar Kaya

(3)

Dr. Gizem Hatipoglu

Fraunhofer IWKS Energy Materials- Researcher (2020-…)

BScGebze Technical University Energy Institute/ TUBITAK

Energy Storage Systems- Researcher (2016-2018)

MScSakarya University PhD

Sakarya University Sakarya University Research & Teaching Assistant (2012-2016)

MBAMarmara University

(4)

İçerik

 Tarihçe

 Bugün

 Uygulamalar

 Batarya parametreleri ve gereklilikler

 Maliyete etki: Batarya üretim asamalari

 Batarya hücre çesitleri

 Malzeme Bilimi ve Mühendisi gözüyle Li iyon bataryalar

 Gelecek

 Yeni nesil bataryalar

(5)

Tarihçe

LiCoO 1980

₂

battery cathode invented

by Goodenough

graphite 1982 anode by

Yazami

Sony

Li metal/TiS 1976

₂

rechargeable battery by Wittingham

1985 petroleum coke as an anode by

Yoshino

Post Li- ion

laminated 2002 lithium- batteries ion

The 2019 Chemistry Laureates

 Na, Al, Ca, Mg ion batteries

Lithium-air, lithium-sulfur,

solid-state

batteries

(6)

Neden Li iyon piller?

Yeniden sarj edilenilen pillerin enerji performans karakteristiği

*Grafikte güç hesaba katilmamistir.

https://battery2030.eu/research/roadmap/by Prof. Kristina Edström

(7)

Li iyon pil çali ş ma prensibi

Elektrokimyasal potansiyel: Elektron kaybetme egilimi Agirlik basina düsen enerji yogunlugu

Li  3.04 V

Mg  2.37 V Al  1.66 V Zn  0.76 V

https://e-lyte-innovations.de

(8)

Uygulamalar

Google images

Electric vehicles 10-100 kWh

100-600 km 5-15 Wh

Large scale storage

129 MWh (at 100MW)

(9)

Batarya parametreleri

Şarj Kapasitesi: AmperSaat (Ah) Depolanan Enerji

1 Watt= 1 Joule/s 1 WattSaat=3600 Joule

Enerji [WattSaat (Wh)]=Voltaj [V]*AmperSaat [Ah]

Kütlesel enerji yoğunluğu (Wh/kg) Kütlesel güç yoğunluğu (W/kg)

Tarascon, J-M., and M. Armand., Nature 414 (6861) (2001): 359-367. & Meesala, Yedukondalu, et al., ACS Energy Letters 2.12 (2017): 2734-2751.

 Örneğin kapasitesi

2600 mAh (2.6 Ah)

bataryamiz var ise---- 1 saatte 2.6 A akim saglayabilecek kapasitede olduğu anlamına gelir.

 Bu batarya

3.8 V’luk ise depolayabilecegimiz

enerji (3.8V*2.6Ah=9.88Wh’dur

(10)

The Octagon Battery – Bir pilde olmasi gereken özellikler

 Hizli sarj olma

 Düsük maliyet

 Yüksek enerji yoğunlugu (Wh/kg)

 Yüksek güç yoğunlugu (W/kg)

 Uzun kullanim ömrü

 Güvenlik

 Genis sicaklik araligi

 Toksik olmama

http://batteryuniversity.com/learn/article/primary_batteries

(11)

Maliyete etki: Batarya üretim asamalari

Montaj ve entegrasyon BMS &

Termal dizayn Modül

olusturma Komponent

birlestirme ve Hücre

imalati Anot/ Katot

toz sentezi Ham madde

eldesi

Adapted from: Jussani, A. C., Wright, J. T. C., & Ibusuki, U. (2017). RAI Revista de Administração e Inovação, 14(4), 333-338.

(12)

Batarya hücre çeşitleri

Düğme Silindir Prizmatik Pouch

Laptop/araba/

akilli telefonu Fotograf makinesi/araba

/akilli telefonu Elektrikli bisiklet/araba

Kalp pili

Yüksek enerji yogunlugu, mekanik

stabilite

Yer kaplama acisindan avantajli

fakat maliyeti yüksek

Hafif ve maliyeti düsük ancak nem ve

sicakliga daha az dayanikli Tasinabilir küçük

cihazlar icin avantajli Hizli sarj edilirse

güvenli degil

Tesla Models S BMW i3 Nissan Leaf

(13)

Malzeme Bilimi ve Mühendisi gözüyle Li iyon piller

[1] Badmos, Olatomiwa, et al., Journal of Intelligent Manufacturing 31.4 (2020): 885-897. ; [2] Yan, Pengfei, et al.," Nature communications 8.1 (2017): 1-9.

10 µm

5 μm 5 μm 50 nm 2 nm

Scanning/Transmission Electron Microscope (S/TEM) Light Microscope (LM)

Cu Current Collector

Anot

Separator

Katot

Al Current Collector

50 µm

Scanning Electron Microscope (SEM)

Cu Current Collector

Anot

Separator

Katot

Al Current Collector

50 µm 1 µm

(14)

2,5 mm 5 mm

X-Ray Computed Tomography (CT) X-ray microscopy (XRM)

[1] Waldmann, T., et al. "A mechanical aging mechanism in lithium-ion batteries." Journal of the Electrochemical Society 161.10 (2014): A1742.

[2] https://www.zeiss.com/microscopy/int/products/x-ray-microscopy/zeiss-xradia-610-and-620-versa.html

In-situ/ operando TEM

Malzeme Bilimi ve Mühendisi gözüyle Li iyon piller

(15)

Gelecek

Integration of Artificial Intelligence (AI) and smart

functionalities

Optical fibers to collect parameters such as temperature,

pressure Joint perspectives of automotive battery R&D

in China, Europe, Germany, Japan, and the USA

https://battery2030.eu/research/roadmap/by Prof. Kristina Edström D. Bresser et al., J. Power Sources, vol. 382, pp. 176–178, 2018

(16)

o Lithium-air (Li-air) o Solid-state Lithium o Lithium-sulfur (Li-S)

http://www.pocket-lint.com/news/130380-future-batteries-coming-soon-charge-in-seconds-last-months-and-power-over-the-air(22.03.2016) Dühnen, S.; Betz, J.; Kolek, M.; Schmuch, R.; Winter, M.; Placke, T. Small Methods2020, 2000039.

Gelecek

 Na, Mg, Ca, Zn-ion

 Flexible battery

 Organic battery

Energy balance and sustainability

of current and future battery

technologies

(17)

Neden kati hal pilleri?

Li-ion & Solid-state batteries

Xin, Sen, et al., ACS Energy Letters 2.6 (2017): 1385-1394.

Yüksek kapasite: 3860 mAh/g Düsük çalisma potansiyeli: -3.04V

 Yüksek güvenlik

 Az toksik

 Yüksek enerji yoğunluğu

 Uzun cevrim ömrü

 Yüksek maliyet

 Çabuk şarj olmama (10 kat yavas)

Seramik esasli kati elektrolit kullanimi

Janek, Jürgen, and Wolfgang G. Zeier., Nature Energy 1.9 (2016): 1-4.

(18)

Kati-hal pillerde kullanilan elektrolitler

Bachman, J. C. et al., Chem. Rev. 116, 140–162 (2016).

(19)

Oksit ve Sülfit esasli kati elektrolitlerin üretimi

Kaya et al., Selective Laser Sintering of Solid State Battery Components: A Preliminary Study on Laser-powder Interaction, to be submitted

Farkli üretim teknikleri

Isisal kararlilik

Li metal uyumlulugu Nem/hava hassasiyeti Pil hücresi üretimi Iletkenlik

Sulfit

Isisal kararlilik

Li metal uyumlulugu Nem/hava hassasiyeti Pil hücresi üretimi Iletkenlik

Oksit

HiBat4.0: Hochperformante und sichere Batterien für autonome Sensoren, Akto-ren und Antriebe in Industrie 4.0-Produktionssystemen und Smart Products„- BMBF funding

Özel üretim kosullari

Katmanli üretim

(Additive manufacturing)

AG Knoblauch

(20)

Kati hal piller ve ticarileşme

Stereax® M50

NMC/Li

₆

PS

₅

Cl/Ag-C

LiCoO

₂

/Li

₇

La

₃

Zr

₂

O

₁₂

/ Li

https://www.ilika.com/

https://www.quantumscape.com/

https://solidpowerbattery.com/

Ceramic electrolyte Anode- free (1,000 Wh/L)

Sulfide electrolyte

Ceramic electrolyte Si anode

TOYOTA Panasonic

(21)

Yeterli Li kaynagi var mi ?

(22)

İçerik

➢ Neden geri dönüşüm?

➢ Bir LIB hangi bileşenlerden oluşur?

➢ Geri dönüşümde kullanılan metotlar neler?

➢ Metotların avantaj-dezavantajları?

➢ Hangi firmalar-hangi metotlar?

➢ Hangi çalışma grupları?

(23)

Neden Geri Dönüşüm?

Kadminyum

Civa Nikel

Demir

Mangan

(24)

Neden Geri Dönüşüm?

LIB teknolojisinin uygulanmasındaki kilometre taşları ve tahminlerle gelişimi [1]

➢ Otomotiv bataryası için talep --- 2026 yılı itibariyle elektrikli araç pazarının en az 90 milyar dolar [1]

➢ 2030 itibariyle – 140 milyon elektirikli aracın yollarda olacağı tahmin edilmekte [1]

(25)

Bir LIB hangi bileşenlerden oluşur?

NMC 622 katot malzemesi içeren bir bataryanın bileşenlerinin ağırlıkça dağılımı [2]

(26)

LİBlarin geri dönüşümünde kullanılan metotlar neler?

Pirometalurjik ve hidrometalurjik geri dönüşüm proseslerinin genel çerçevesi [1]

(27)

LİB larin geri dönüşümünde kullanılan metotlar neler?

LIBların geri dönüşümünde kullanılan farklı prosesler [3]

(28)

Pirometalurji- Avantaj ve Dezavantajlari

⮚ Proses esnekligi

➢ Yüksek kapasite

➢ Yüksek sermaye ve işletme maliyetleri

➢ Zararli gaz oluşumu

➢ Yüksek sıcaklık ergitme fırınlarında meydana gelen Li kaybi

[4]

(29)

Hidrometalurji- Avantaj ve Dezavantajlari

[5]

(30)

[6]

(31)

Hidrometalurji- Avantaj ve Dezavantajlari

➢ Dusuk enerji tüketimi

➢ Yüksek oranda metal kazanımı

➢ Li, Ni ve Co gibi pahalı metallerin ilgili

cüruflarından / alaşımlarından geri kazanılmasındaki verimliliğinin % 95’in üzerinde olması

^[5]

➢ Yüksek ürün safligi

➢ Metal kazanım prosesinin uzun olmasi

➢ Atık su arıtımı gerektirmesi

➢ Yüksek maliyet (yüksek oranda kimyasal kullanımı sebebiyle)

➢ Bio leaching: Maliyet ve çevresel avantajlara rağmen, düşük verim,

yavaş biyo-reaksiyon kinetiği nedeniyle düşük liç oranları ve düşük

operasyonel hacimler gibi zorlukları bulunuyor.

(32)

Doğrudan Geri Dönüşüm - Avantaj ve Dezavantajlari

➢ Laboratuvar ölçeğinde

➢ Düşük verimlilik

➢ Yüksek sermaye maliyetleri

➢ Yüksek enerji tüketimi

➢ Scale-up problemleri

➢ Tüm bunlara rağmen, lab ölçeğinde çok başarılı çalışmalar gerçekleştirilmektedir.- Farasis ve OnTo Technology

Doğrudan geri dönüşüm teknolojisi [3]

(33)

https://dx.doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c04940 ACS Sustainable Chem. Eng. 2020, 8, 13527−13554

Hangi Firmalar?-Hangi Metotlar?

(34)

Referanslar

1. Yaocai Bai, Nitin Muralidharan, Yang-Kook Sun, Stefano Passerini, M. Stanley Whittingham, Ilias Belharouak, Energy and environmental aspects in recycling lithium-ion batteries: Concept of Battery Identity Global Passport, Materials Today, Volume 41, 2020, Pages 304-315, ISSN 1369-7021, https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.09.001.

2. https://www.actu-environnement.com/media/pdf/news-36144-etude-oeb-batteries-brevets.pdf

3. Abhilash, Dr & Meshram, Pratima & Mishra, Abhilash & Sahu, Rina. (2019). Environmental impact of spent lithium-ion batteries and green recycling perspectives by organic acids – A review.

Chemosphere. 242. 125291. 10.1016/j.chemosphere.2019.125291.

4. https://egvi.eu/wp-content/uploads/2013/10/2_4-Jan-Tytgat_Umicore.pdf

5. Knights et. Al., Keeping the future fully charged: LITHIUM BATTERY RECYCLING-

https://www.sagreenfund.org.za/wordpress/wp-content/uploads/2016/04/CM-Solutions-Lithium- Battery-Recycling.pdf

6. https://www.rolandberger.com/de/Insights/Publications/Zukunftsmarkt-Batterie-Recycling-Verpasst- Europa-(wieder)-den-Anschluss.html