Bir EV pili gerçekte nasıl çalışır?

Akıllı telefonlarda da bulunan lityum-iyon piller, elektrikli araçların büyük çoğunluğuna güç sağlıyor. Lityum çok reaktiftir ve onunla yapılan piller, yüksek voltaj ve olağanüstü şarj tutabilir, bu da verimli, yoğun bir enerji depolama şekli sağlar. Bu pillerin, düşen maliyetler ve performanstaki iyileştirmeler sayesinde öngörülebilir bir gelecekte EV’lerde hakim olmaya devam etmesi bekleniyor.

Şu anda, elektrikli araba pilleri tipik olarak yaklaşık 1.000 pound ağırlığında, üretim maliyeti yaklaşık 15.000 $ ve tipik bir evi birkaç gün çalıştırmak için yeterli güce sahip. Şarj kapasiteleri zamanla azalırken, 10 ila 20 yıl dayanmaları gerekir.

Her pil, genellikle silindir veya kese şeklinde şekillendirilmiş, yüzlerce, hatta binlerce hafif duygusal lityum-iyon elektrokimyasal hücreden oluşan yoğun bir şekilde paketlenmiş bir koleksiyondur. Her hücre pozitif bir katottan oluşur (tipik olarak nikel, manganez ve kobalttan yapılmış metal oksitler içerir); negatif, grafit bazlı bir anot; ve ortada elektrolit adı verilen sıvı bir çözelti.

Lityumun reaktivitesi burada devreye giriyor; gevşek bir şekilde tutulan dış elektronu, bir lityum iyonu bırakarak kolayca ayrılabilir (atom, dış elektronunu içermez). Hücre temel olarak bu iyonları ve elektronları ileri geri ping-pong yaparak çalışır.

Şarj döngüsü sırasında, harici bir kaynak yoluyla verilen bir elektrik akımı, elektronları katottaki lityum atomlarından ayırır. Elektronlar bir dış devrenin etrafından anoda akarlar – tipik olarak enerji depolamada mükemmel olan ucuz, enerji açısından yoğun ve uzun ömürlü bir malzeme olan grafitten oluşurlar – iyonize lityum atomları ise elektrolit yoluyla anoda akar ve elektronlarıyla tekrar birleşirler. Boşaltma döngüleri sırasında süreç tersine döner. Anottaki lityum atomları tekrar elektronlarından ayrılır; iyonlar elektrolitten geçer; ve elektronlar, motora güç sağlayan dış devreden akar.

EV genişlemesi, pil yapmak için gereken mineraller için doymak bilmez bir talep yarattı. Lityumun çıkarıldığı bileşik olan lityum karbonatın fiyatı 2010 ile 2020 arasında nispeten sabit kaldı, ancak 2020 ile 2022 arasında yaklaşık on kat artarak dünya çapında yeni yatırımları teşvik etti. Yalnızca ABD’de bir düzineden fazla pil tesisi ve çok sayıda potansiyel madencilik projesi geliştiriliyor.

Ancak hammadde arayışı, kapsamlı çevresel, politik ve sosyal maliyetlerle birlikte gelir.

Ortak bir katot bileşeni olan kobaltın büyük çoğunluğu, çocuk işçiliği ve zorla çalıştırmayla ünlü Demokratik Kongo Cumhuriyeti’nden geliyor. ABD’nin hammadde arzının çoğu kabile topraklarında. Önemli bir lityum üreticisi olan Şili, üretimin kontrolünü çok uluslu şirketlerin elinden almak istiyor. Bu arada, madencilik şirketleri ve girişimciler, kırılgan, yeterince anlaşılmayan bir ekosisteme zarar verebilecek mineraller için deniz yatağında madencilik yapma planları yapıyor (Şili, bu tür okyanus madenciliğini bir moratoryum için zorluyor).

Pil geliştiricileri, nadir metallerin kullanımını azaltmayı ve geri dönüşümü iyileştirmeyi amaçlıyor. Yeni şirketler ve otomobil üreticileri de malzeme zorluklarını ortadan kaldıran ve verimliliği artıran yeni nesil piller tasarlamak ve üretmek için yarışıyor. Örneğin, yeni nesil lityum-iyon piller kobalt kullanımını çoktan ortadan kaldırdı. Bilim adamları ayrıca, çok daha ucuz ve daha bol hammaddeden yapılan sodyum kükürt pillerini ve adından da anlaşılacağı gibi sıvı elektroliti katı bileşiklerle değiştiren katı hal pillerini test ettiler. Daha hafif, daha kararlı, daha hızlı şarj olan bir alternatif sunabilirler.

Tahminler, EV’lerin sadece birkaç yıl içinde içten yanmalı motorlara dayalı arabalarla fiyat eşitliğine ulaşacağını ve benimsenmeyi hızlandıracağını gösteriyor. Uzmanlar, ülkeler ve şirketler sektörün bir düzine kadar baskın oyuncusu arasında yer almak için yarışırken pil üretiminde hızlı genişleme, konsolidasyon ve deneyler öngörüyor. Pil hücrelerinin katotları ve anotları arasında geçen küçük gezi iyonları, muhtemelen önümüzdeki on yılın en önemli yolculuklarından biri olacak.