Nanoteknoloji ile Batarya Soğutma

Bataryaların termal yönetimi, teknolojik ilerlemelerde önemli bir rol oynamakta ve yenilikçi çözümler gerektirmektedir. Nanoteknoloji, batarya soğutma sistemlerinin geliştirilmesi için önemli bir potansiyel sunmaktadır.

Nanoakışkanlar ve nanoyapılı kanatçıklar gibi nanoteknolojik çözümler, batarya sıcaklıklarını etkin bir şekilde kontrol ederek batarya ömrünü uzatma ve güvenliği artırma imkanı sağlamaktadır. Nano ölçekli yapılar ve sıvılar, enerji verimliliğini artırarak elektrikli araçlar ve taşınabilir elektronik cihazlar için batarya performansını iyileştirebilir. Batarya malzemeleri ve nanoteknoloji çözümlerindeki son gelişmeler ve yüksek kaliteli ileri malzemeler için Nanografi'yi ziyaret edin.

Giriş

Enerji depolama teknolojileri, artan teknolojik cihaz talebiyle birlikte önemli araştırma alanlarından biri olmuştur. Pil teknolojisindeki temel kaygılardan biri, etkin termal yönetimdir. Düzensiz veya yüksek sıcaklıklar, pilin enerji depolama kapasitesini, ömrünü, dayanıklılığını ve verimliliğini etkileyebilir. Aşırı ısınma veya kontrolsüz ekzotermik reaksiyonlar, termal kaçaklara ve ciddi güvenlik sorunlarına yol açabilir. Bu nedenle, etkili bir batarya termal yönetim sistemi enerji depolamanın iyileştirilmesi için kritik öneme sahiptir. Li-ion piller için özellikle 0 ile 30°C arasındaki çalışma sıcaklığı aralığı önemlidir. Bu aralığın dışındaki sıcaklıklar, performans kaybına ve geri dönüşümsüz hasarlara neden olabilir. Fotovoltaik (PV) sistemlerde de sıcaklık artışı, verim düşüşlerine neden olmaktadır. Araştırmalar, PV modüllerinin sıcaklığı 25°C'nin üzerine çıktıkça, her bir derece artış için elektriksel verimliliğin %0,5 oranında azaldığını göstermektedir.

Bugüne kadar Lityum İyon piller (Li-ion piller), elektrikli araç pilleri ve PV sistemleri için çeşitli soğutma stratejileri önerilmiştir. Bunlar arasında soğutma kanalı geometrileri, soğutma kanalları, soğutma plakaları ve batarya üzerindeki oluklu kanallar bulunmaktadır. Hava, sıvılar ve faz değiştiren malzemeler (PCM) çeşitli senaryolarda soğutma maddesi olarak kullanılır. Cebri veya doğal hava çekişi, basit kullanımı ve düşük maliyeti nedeniyle yaygın kullanılır ancak etkinlik açısından sınırlıdır. Su ve deiyonize su gibi sıvılar da uygun adaylar olarak görülür, ancak genellikle ısıl iletkenlikleri yetersizdir. PCM'ler, hareketli parçalar olmadan etkili termal soğutma ve basit tasarım sunar, ancak yalnızca sınırlı ısı emme kapasiteleri vardır. Bu nedenle, daha etkili bir sisteme ihtiyaç devam etmektedir. Araştırmacılar bu sorunları çözmek için nanoteknolojiye yönelmişlerdir. Nanoakışkanlar, aerojeller ve nanoyapı tasarımları, batarya termal yönetim sistemleri için umut verici seçenekler arasında yer almaktadır.

Nanoakışkanlarla Batarya Soğutma

Bataryaların termal yönetiminin iyileştirilmesine yönelik önerilen yöntemlerden biri, ısı değişim malzemelerinin termal özelliklerini geliştirmektir. Mevcut soğutma akışkanlarının, katı metallerle karşılaştırıldığında düşük termal iletkenliğe sahip olduğu bilinmektedir. Bu soğutucuların ısı transfer kapasitesi, yüksek termal iletkenliğe sahip katı nanopartiküller eklenerek artırılabilir. Bu sıvı-katı dispersiyonlarına nanoakışkanlar denir. Nanopartiküller, mikro katı parçacıkların aksine tıkanma, çökelme veya erozyona neden olmaz. Çeşitli nanoakışkanlar, batarya sistemlerinde etkili soğutucular olarak kabul edilir. Su, deiyonize su, etilen glikol, sentetik yağlar ve bu malzemelerin kompozitleri, batarya soğutması için nanoakışkanlarda temel malzeme olarak kullanılır.

Nanoakışkanlara çeşitli nanopartiküller eklenerek termal özellikler iyileştirilir. En etkili nanomalzemeler arasında Karbon Nanotüpler (CNT'ler), Al2O3, Cu, CuO, SiC, ZnO, TiO2 ve SiO2 bulunur. CNT'ler, 3500 W/mK gibi son derece yüksek ısı iletkenlikleriyle öne çıkar. Araştırmalar, sentetik yağa CNT'ler eklenmesinin baz akışkanın termal özelliklerini %150 oranında artırabildiğini gösterir. Etilen glikol içinde Cu nanopartiküllerinin eklenmesi, baz sıvının termal iletkenliğini %40'a kadar artırabilir. Su içerisine Alümina nanopartiküllerinin eklenmesiyle ısıl iletkenlik %10-25 oranında artar. Benzer şekilde, bahsedilen nanopartiküller ile %20-80 arasında termal verim artışı mümkündür. Nanoakışkanların termal özelliklerinin çeşitli parametrelerden önemli ölçüde etkilendiği de önemlidir. Bu parametrelerin anlaşılması ve uygun şekilde tasarlanması, daha iyi batarya termal yönetim sistemlerinin geliştirilmesi için kritik öneme sahiptir.

Şekil 1: LiB hücreleri için yenilikçi soğutma sisteminin şematik gösterimi.

Batarya Soğutmasında Nanoakışkanların Rolünü Etkileyen Parametreler Nelerdir?

Nanoakışkanlar kullanılarak yapılan batarya soğutmasının termal özellikleri ve performansı, bir dizi faktörden etkilenmektedir. Nanoakışkanların özellikleri, baz akışkanın türü, nanopartikül konsantrasyonu, nanopartikül boyutu, nanopartikül tipi ve nanoakışkanın akış hızına bağlı olarak değişiklik gösterir. Batarya soğutma performansı ise genellikle sirkülasyon yöntemi ve kanal geometrisi tarafından etkilenir.

Nanopartikül tipinin seçimi, nanoakışkanın kalitesi ve termal özellikleri üzerinde belirleyici bir rol oynar. Metal nanopartiküller, metaloid nanopartiküllere göre viskoziteyi artırmama ve spesifik ısı kapasitesini azaltmama avantajlarıyla tercih edilir. Çeşitli metalik nanomalzemeler, kendilerine özgü termal ve kimyasal özelliklere sahiptir, bu nedenle bu malzemelerin seçimi önemlidir. Araştırmalar, SiC/su nanoakışkanlarının pil soğutma performansı açısından umut verici olduğunu göstermiştir, ancak daha fazla araştırma gerekmektedir. Benzer şekilde, baz akışkanın seçimi de nanoakışkanın termal özelliklerini etkilemektedir. Etkili bir nanoakışkan elde etmek için baz akışkanın termal özellikleri ve nanomalzeme ile etkileşimi göz önünde bulundurulmalıdır.

Nanoakışkanlarla pil soğutmanın bir diğer kritik parametresi nanopartikül konsantrasyonudur. Bu parametre, nanoakışkanın termal özelliklerini önemli ölçüde etkilese de konsantrasyonun etkisi konusundaki sonuçlar çelişkilidir. Her farklı durum için optimum nanomalzeme konsantrasyonunun belirlenmesi gerektiği anlaşılmaktadır.

Nanopartiküllerin geniş yüzey alanları sayesinde mükemmel ısı transfer hızlarına sahip olduğu bilinmektedir. Nanopartikül boyutunun nanoakışkanın ısı transferi ile doğrudan ilişkili olduğu düşünülmektedir, ancak bu etkilerin tam olarak anlaşılması için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır.

Akış hızı, akış rejimi, sirkülasyon yöntemi ve kanal geometrisi gibi faktörler, nanoakışkanlarla batarya soğutmasını önemli ölçüde etkilemektedir. Optimum koşulların sağlanabilmesi için bu parametrelerin ısı değişim prensiplerine uygun olarak ayarlanması gerekmektedir.

Grafen pillerin lityum iyon pillere bir alternatif olarak yükselişini ele alan blog yazımızı şimdi okuyun.

Nanoyapılarla Batarya Soğutma

Batarya soğutma sistemleri için etkili nanoyapılar tasarlamak amacıyla nanoteknolojinin kullanılması mümkündür. Nanoyapıların geniş yüzey alanı, iki farklı ortam arasında ısı transferi için önemli avantajlar sunar. Bu artan yüzey alanı, soğutucu ile pil yüzeyi arasındaki ısı alışverişini artırır. Nanoyapıların kullanımı, aynı zamanda ısı değişim sistemlerinde istenmeyen basınç düşüşlerini engeller. Özellikle mikrokanal soğutuculara dahil edilen nanoyapılar, soğutma çözümleri olarak önerilmektedir. Ancak, mikrokanal akışındaki aşırı basınç düşüşü, mikro pompalı bir döngüde kullanımı zorlaştırabilir. Bu sorunu çözmek için geliştirilmiş soğutma tasarımları üzerinde çalışılmaktadır. Bu amaçla, mikrokanallı soğutucularda silikon kanatçıklar yerine karbon nanotüpler kullanılıyor veya ısı değişim yüzeyinin tamamı kanatçıklarla donatılıyor. Karbon nanotüpler, özellikle 3500 W/mK gibi yüksek ısı iletkenlikleriyle dikkat çekiyor. Bu tür nanoyapıların kullanımı, batarya soğutma sistemlerinin performansını artırmaya yardımcı olur.

Elektrolit Lityum Heksaflorofosfat, beyaz renkli kristal bir toz formunda olup, lityum iyon pillerde elektrod arası lityum iyonlarının taşınması için kullanılır. Yüksek saflıkta elektrolit çözümleri, pil performansı için kritik öneme sahiptir. LiPF6 gibi tuzların solvent karışımı veya alkil karbonatlar gibi sıvı olmayan solventlerde çözülmesiyle elde edilir.

Lityum Kobalt Oksit (LiCoO2), siyah kristalimsi bir toz olarak bulunur ve temel özellikleri, spesifik alanı ve musluk yoğunluğu gibi faktörlerle tanımlanır. 3.0 V ila 4.3 V arasında değişen voltaj seviyesine sahip ve nem içeriği düşük olduğunda yüksek kapasite sunar.

Lityum Demir Fosfat (LiFePO4), asit bazlı ve lityum iyon piller için katotları sentezlemek üzere kullanılan toz formundaki bir malzemedir. Musluk yoğunluğu, direnci ve karbon içeriği ile karakterize edilir. Yüksek deşarj verimliliği ve kapasite değerleri sunar.

Lityum Manganez Oksit (LiMn2O4), farklı metallerin birleşimiyle oluşturulan, toz formunda bir katot malzemesidir. Özgül alanı, erime noktası ve musluk yoğunluğu gibi özelliklere sahiptir.

Lityum Nikel Manganez Kobalt Oksit (LiNiCoMnO2), çeşitli metallerin belirli oranlarda birleşiminden oluşan bir toz malzemedir. İlk deşarj kapasitesi ve verimlilik gibi özellikleri ile dikkat çeker.

N-Metil-2-Pirolidone (NMP), renksiz, şeffaf bir sıvıdır ve çeşitli fiziksel özellikleri ile tanımlanır.

Nikel Köpük, yüksek gözenekliliğe ve korozyon önleyici özelliklere sahip bir malzemedir.

PVDF Binder, aktif malzemeleri ve parçacıkları bir arada tutmak için lityum iyon pillerin üretiminde kullanılan bir bağlayıcıdır. PVDF Binder, elektrot formülasyonunda ve ayırıcı tasarımında kullanılarak lityum iyon pillerin performansına katkıda bulunur.

TIMCAL SUPER C45 ve C65 İletken Karbon Siyahı, iletkenlik özellikleri ve farklı içerik oranlarıyla tanımlanan iki tür iletken karbon siyahtır. Bu malzemelerin özellikleri, uçucu içerik, toluen ekstraktı, kül içeriği, tane içeriği, nem, yoğunluk, kükürt içeriği ve metal elementler açısından farklılık gösterir.

TIMCAL Süper P İletken Karbon Siyahı, iletken karbon siyahının yüksek dereceli bir formudur ve UV karşıtı stabilizatör olarak kullanılır. Yüksek yoğunluğa sahip bu malzeme, özellikle elektrot formülasyonunda tercih edilir.

Bu malzemelerin ve teknolojilerin kullanımı, batarya soğutma sistemlerinin performansını ve verimliliğini artırmak için önemlidir. Nanoyapıların ve karbon nanotüpler gibi ileri malzemelerin entegrasyonu, ısı transferini optimize ederek pil ömrünü uzatır ve güvenliğini artırır. Lityum iyon piller için kullanılan elektrolitler, katot malzemeleri ve bağlayıcılar gibi bileşenlerin doğru seçimi ve kullanımı, pil performansının ve güvenliğinin iyileştirilmesinde kritik rol oynar. Bu nedenle, pil teknolojilerindeki gelişmeler, malzeme bilimindeki yeniliklerle yakından ilişkilidir.

Sonuç

Modern dünyada, teknolojik gelişmelerin artmasıyla enerji depolama teknolojilerinin önemi artmaktadır. Enerji depolama sistemlerinin karşılaştığı temel sorunlardan biri, etkin ısı yönetimi eksikliğidir. Bataryalarda görülen ekzotermal reaksiyonlar, dengesiz ve yüksek sıcaklıklara yol açabilir; bu durum enerji depolamanın verimliliğini, kullanım ömrünü ve dayanıklılığını olumsuz etkiler. Bu sorunun çözümünde nanoteknoloji önemli bir rol oynamaktadır. Nanoakışkanlar ve nanoyapılar, batarya soğutma teknolojilerinde umut verici çözümler sunar. Geleneksel sıvı soğutuculara göre daha iyi ısı transfer özelliklerine sahip olan nanoakışkanlar, nanopartiküller içererek ısıl iletkenliği ve ısı değişim özelliklerini iyileştirir. Böylece, ısı değişim sistemleri için daha etkili bir soğutucu madde elde edilir. Ayrıca, nanoyapılar, yüksek yüzey alanı ve ısı iletkenliği ile ısı değiştirici sistemlerin performansını artırmada kullanılır. Bu alanda en çok tercih edilen nanoyapılardan biri karbon nanotüplerdir. Yapılan araştırmalar, nanoteknolojinin batarya soğutma sistemlerini geliştirme konusunda büyük potansiyel taşıdığını göstermektedir. Ancak bu teknolojinin optimum kullanımı için daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulmaktadır.

Araştırmaları ve en son teknolojik gelişmeleri takip etmek için Blografi'yi ziyaret edin.

Kaynakça

Ali, H. M., Shah, T. R., Babar, H., & Khan, Z. A. (2018). Application of nanofluids for thermal management of photovoltaic modules: a review. Microfluid. Nanofluidics.

Eastman, J. A., Choi, S. U. S., Li, S., Yu, W., & Thompson, L. J. (2001). Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles. Applied physics letters, 78(6), 718-720.

Hasan, H. A., Togun, H., Abed, A. M., Qasem, N. A. A., Mohammed, H. I., Abderrahmane, A., Guedri, K., & Tag-ElDin, E. S. M. (2023). Efficient Cooling System for Lithium-Ion Battery Cells by Using Different Concentrations of Nanoparticles of SiO2-Water: A Numerical Investigation. Symmetry 2023, Vol. 15, Page 640, 15(3), 640. https://doi.org/10.3390/SYM15030640

Lityum İyon Pillerin ve Grafen Pillerin Geleceği - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved January 30, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/lityum-iyon-pillerin-ve-grafen-pillerin-gelecegi/

Mo, Z., Anderson, J., & Liu, J. (2004, July). Integrating nano carbontubes with microchannel cooler. In Proceedings of the Sixth IEEE CPMT Conference on High Density Microsystem Design and Packaging and Component Failure Analysis (HDP'04) (pp. 373-376). IEEE.

Mondal, B., Lopez, C. F., & Mukherjee, P. P. (2017). Exploring the efficacy of nanofluids for lithium-ion battery thermal management. International Journal of Heat and Mass Transfer, 112, 779-794.

Nanoteknoloji ve Enerji - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved January 30, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/nanoteknoloji-ve-enerji/

Wiriyasart, S., Hommalee, C., Sirikasemsuk, S., Prurapark, R., & Naphon, P. (2020). Thermal management system with nanofluids for electric vehicle battery cooling modules. Case Studies in Thermal Engineering, 18, 100583.