Toyota katı hal aküsü - yeni atılımlar ve geliştirme geçmişi

Toyota katı hal aküsünde yeni atılımlar

Financial Associated Press tarafından yayınlanan bir rapora göre Toyota, 4 Temmuz 2023 tarihinde yaptığı açıklamada katı hal bataryası teknolojisine sahiptir. Toyota katı hal bataryasının ağırlığı, hacmi ve maliyeti yarı yarıya azalacak ve batarya ömrü 10 dakika veya daha kısa bir süre şarj edildikten sonra 1.200 kilometreye ulaşabilecek. Akü üretim süreci de büyük ölçüde basitleştirilerek yeni nesil teknolojinin maliyeti düşürüldü.

Dünyanın en büyük ikinci otomobil üreticisi olan Toyota, 2025 yılına kadar gelişmiş Toyota katı hal bataryalı elektrikli araçları piyasaya sürme planını sürdürüyor.

Toyota'nın Karbon Nötr Ar-Ge Merkezi Başkanı Kaida Keiji şunları söyledi: "İster sıvı ister katı hal bataryası olsun, hedefimiz bataryaların çok büyük, çok ağır ve çok pahalı olduğu mevcut durumu tamamen değiştirmektir. Bu konudaki potansiyel açısından, bu faktörleri yarıya indirmek için çaba göstereceğiz."

Kaida, şirketin batarya dayanıklılığını artıracak yöntemler geliştirdiğini ve artık 1.200 kilometre menzile ve 10 dakika veya daha kısa şarj süresine sahip katı hal bataryaları üretebileceğine inandığını belirtiyor. Birmingham Üniversitesi'nde işletme ekonomisi profesörü olan David Bailey, Toyota'nın iddiaları doğruysa, bunun elektrikli araçların geleceği için bir dönüm noktası olabileceğine inanıyor.

Toyota katı hal aküsünün gelişim öyküsü

Toyota, sektörde katı hal aküleri alanında en güçlü üreticilerden biri olarak tanınmaktadır. Toyota, tamamen katı hal bataryaları alanında her zaman sülfür rotasına bağlı kalmıştır ve halihazırda 1.000'den fazla patente sahiptir. Ağustos 2020 gibi erken bir tarihte, tamamen katı hal bataryalarla donatılmış Toyota elektrikli araçları lisans almış ve sürüş testlerine başlamıştır.

Güçlü teknik gücüne rağmen, Toyota'nın Toyota katı hal aküsü alanındaki araştırmaları sorunsuz olmadı ve Toyota katı hal aküsünün seri üretim süresi birkaç kez ertelendi. Bugün, Toyota katı hal aküsü seri üretim zamanını 2027-2028 olarak belirlemiştir. Katı hal pillerinin araştırma ve geliştirme ve seri üretiminin zor olduğu ve Toyota'nın katı hal pilleri konusundaki ısrarı ve ısrarı da görülebilir.

2025 yılına kadar Toyota katı hal aküsü küçük ölçekli seri üretime geçecek ve ilk olarak hibrit modellerde kullanılmaya başlanacaktır. 2030 yılına kadar, Toyota katı hal aküsü sürekli ve istikrarlı bir üretime ulaşmalıdır.

Toyota, "Geliştirme sürecinde, tamamen katı hal bataryasındaki iyonların yüksek güç çıkışı elde etmek için batarya içinde yüksek hızlarda hareket edeceğini öğrendik ve bu özelliğin tamamen katı hal bataryalarının avantajlarından yararlanmak için hibrit araçlarda kullanılabileceğini umuyoruz." diyor.

2021 yılında Toyota Motor, önümüzdeki on yılda temel otomotiv teknolojilerinde liderliği ele geçirmek ve elektrikli ve hibrit araçların fiyatında kalıcı rekabet gücünü korumak amacıyla 2030 yılına kadar güç bataryalarının ve batarya tedarik zincirinin geliştirilmesine 1,5 trilyon JPY yatırım yapmasının beklendiğini açıkladı.

Japonya Ekonomi, Ticaret ve Sanayi Bakanlığı 16 Haziran 2023 tarihinde Toyota'nın planlanan batarya yatırımı için sübvansiyon sağlayacağını açıkladı.

Sübvansiyonlardan biri lityum demir fosfat bataryadır (LFP), ancak yeni nesil bataryalar için güçlü bir aday olarak kabul edilen tamamen katı hal bataryasını da güçlü bir şekilde geliştirecektir, ancak Toyota, lityum demir fosfat bataryanın düşük maliyetle üretilebilmesinin elektrik stratejisinin anahtarı olduğuna inanmaktadır, bu nedenle geliştirmeyi hızlandırmayı planlamaktadır.

Sübvansiyonlar için hedeflenen Toyota EV ile ilgili toplam iş miktarının yaklaşık 330 milyar JPY'ye ulaşması bekleniyor ve bunun 117.8 milyar JPY'si Japon Ekonomi, Ticaret ve Sanayi Bakanlığı sübvansiyonları tarafından sağlanacak.

Toyota, Panasonic Holdings ile ortaklaşa finanse edilen bir batarya şirketi olan Prime Planet Energy&Solutions'ın (PPES) Himeji tesisi de dahil olmak üzere elektrikli araç bataryası üretim hatlarını güçlendirerek yıllık üretim kapasitesini 25kwh artıracak.

Katı hal bataryasının avantajları

Bu lityum iyon pil anotukatot ve elektrolit (elektrolit ve diyafram), sıvı lityum iyon pillerin üç önemli bileşenidir. Katı hal bataryaları, adından da anlaşılacağı üzere, sıvı elektrolit yerine katı bir madde kullanır. Katı hal pilleri akü malzemeleri̇ Yaygın olarak kullanılanlar sülfürler, polimerler ve oksitlerdir ve pilin anodu da lityum metal ile değiştirilebilir.

Bu tasarımın en büyük avantajı, bataryanın enerji yoğunluğunu artırabilmesidir. Katıların yoğunluğu sıvılarınkinden çok daha yüksek olduğu için, katı hal pillerinin enerji yoğunluğu sıvı lityum iyon pillerin en az iki katıdır. Örneğin, CATL Kirin pilinin enerji yoğunluğu 255 Wh/kg'dır ve katı hal pili kolayca 500 Wh/kg'a ulaşabilir.

Aynı zamanda, katı hal pilindeki metal lityum doğrudan anot olarak kullanılabildiğinden, sadece geleneksel grafit negatif elektrottan daha iyi olmakla kalmaz, aynı zamanda aşağıdakilere de ihtiyaç duymaz lityum pil ayırıcı ve diğer yapıları, yani pili daha hafif ve daha ince hale getirebilir.

Ayrıca, katı hal pillerinin kararlılığı sıvı lityum pillere göre çok daha yüksektir. Sıvı lityum pillerin uzun süre kullanıldıktan sonra içinde lityum dendritleri oluşması kolaydır. Bu tıpkı katottan yavaşça çıkan ve zamanla uzayan bir iğne gibidir.

Ayırıcıyı delmek için yeterince uzun olduğunda, akü kısa devre yapacaktır. Akü paketi dış kuvvetler nedeniyle hasar gördüğünde, kısa devre ve yüksek sıcaklığın etkisi altında sıcaklık kontrolünü kaybetmek kolaydır ve sonunda akü dumanına, yangına ve hatta patlamaya neden olur.

Katı hal pillerinin elektrolitleri polimerler, oksitler, sülfitler, yüksek sıcaklık direnci, korozyon direnci, uçması kolay değildir ve temelde kendiliğinden yanma riski yoktur. Dış kuvvet gerçekten nüfuz etse ve delinse bile, hızlı kendiliğinden yanma ve patlamanın meydana gelmemesi olasılığı yüksektir, bu da katı hal pilinin li iyon pil güvenliğinde daha fazla avantaja sahip olduğu anlamına gelir.

Katı hal bataryalarının seri üretimindeki zorluklar

Huatai Securities Araştırma Raporuna göre, küresel katı hal batarya pazar alanının 2030 yılında 300 milyar RMB'yi aşacağı tahmin edilmektedir. Böylesine büyük bir pazarla karşı karşıya kalan tüm ülkeler aktif olarak bu fırsatı değerlendirmeyi planlıyor.

Otuz yıl önce, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı katı hal bataryası yarattığını iddia etmiş, ancak ne yazık ki bugüne kadar seri üretime geçememiştir. Geçtiğimiz iki yıl içinde, dünyada yeni enerji araçlarının popüler olmasıyla birlikte, şirketler katı hal bataryalarının seri üretiminin ilerlediğini defalarca bildirdiler. Sıcak katı hal batarya pazarının ardında, hala göz ardı edilemeyecek birçok eksiklik var.

Katı hal bataryalarının seri üretimi, malzeme sorunları, arayüz sorunları ve mühendislik sorunları gibi birçok zorlukla karşı karşıyadır. Yarı katı pillerin mevcut maliyeti ticari sıvı pillerden çok daha yüksek olduğu için pil üreticileri için de zor bir engeldir.

Endüstri araştırmaları ve hesaplamalarına göre, NCM811 sıvı piller ve NCM811 yarı katı piller örnek olarak alındığında, yarı katı pillerin maliyeti sıvı pillerinkinden yaklaşık 80% daha yüksektir. Bunlar arasında, katı elektrolit maliyeti ana yeni maliyet ve yarı katı pillerdeki ana maliyet olup yaklaşık 50%'dir.

Elektrolit malzemelerindeki değişiklikler, üretim süreçlerindeki değişiklikler ve yetersiz ürün kalite kontrol deneyiminin neden olduğu uzun mühendislik doğrulama döngüleri gibi faktörler nedeniyle, tamamen katı hal bataryaları yarı katı hal bataryalarından daha pahalıya mal olacaktır.

Bir güç bataryasının sonunda seri üretime geçip geçemeyeceğini ölçmek için enerji yoğunluğu, şarj-deşarj oranı performansı, maliyet, güvenlik ve çevrim ömrü olmak üzere başlıca beş gösterge vardır. Güç bataryalarının laboratuvar araştırma sonuçları genellikle belirli bir aşamada bir veya birkaç göstergede büyük bir atılım gerçekleştirir ve seri üretim ancak beş göstergenin gereklilikleri aynı anda karşılanırsa mümkündür.

Bu nedenle, Toyota katı hal bataryasındaki teknolojik atılım elektrikli araç endüstrisi için geniş kapsamlı bir öneme sahiptir.

Küresel katı hal batarya teknolojisinde yeni gelişmeler

Katı hal batarya teknolojisi hala pek çok zorlukla karşı karşıya olsa da, bu teknoloji hala lityum pil endüstrisi. Japon şirketlerinin, katı hal batarya teknolojisi için en fazla patente sahip olan Toyota da dahil olmak üzere, küresel olarak katı hal bataryalarına en fazla yatırım yapan şirketler olduğu anlaşılmaktadır.

İyi haber şu ki, raporlara göre Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Profesör Ma Cheng yeni bir katı hal elektrolit türü geliştirdi. Genel performansı en gelişmiş sülfür ve klorür katı hal elektrolitlerine benzer, ancak maliyeti ikincisinin 4%'sinden daha azdır. Endüstriyel uygulamalar için uygundur.

Güçlü bir maliyet avantajına sahip olmakla birlikte, lityum zirkonyum oksiklorürün kapsamlı performansı en gelişmiş sülfür ve klorür katı hal elektrolitleriyle karşılaştırılabilir.

Deneyler, lityum zirkonyum oksiklorür ve yüksek nikel üçlü pozitif elektrottan oluşan tamamen katı hal lityum pilin mükemmel performans gösterdiğini kanıtlamıştır: 12 dakika boyunca hızlı şarj koşulu altında, pil oda sıcaklığında 2000'den fazla döngü boyunca hala başarılı bir şekilde dönmektedir.

Araştırmacılara göre lityum zirkonyum oksiklorür, mevcut en düşük maliyetle en gelişmiş sülfür ve klorür katı hal elektrolitlerine benzer bir performans elde edebilir ve bu da tamamen katı hal lityum pillerin sanayileşmesi için büyük önem taşımaktadır.