Yüksek akımla şarj edilen lityum iyon pillerin ömrü %50 arttı

• Pil üretiminin son aşaması olan ilk şarj koşulları değiştirildiğinde ortalama ömür %50 arttı ve ilk şarj süresi 10 saatten 20 dakikaya indi
• Bu aşama, anot yüzeyinde SEI koruyucu tabakası oluşturan formation sürecidir ve sonraki şarj-deşarj performansı ile bozulma hızını büyük ölçüde etkiler
• Bilimsel makine öğrenimi analizinde ilk şarj koşulları içinde sıcaklık ve akım temel değişkenler olarak daraltıldı; yüksek akımlı şarj ise başlangıçtaki lityum inaktivasyonunu yaklaşık %9'dan yaklaşık %30'a çıkardı
• Daha büyük ilk lityum kaybı kısa vadede dezavantaj gibi görünse de, katotta boş alan oluşturarak sonraki elektrot döngüsünü daha verimli hale getiren bir etki sağlıyor
• Düşük akımlı ilk şarjı tercih eden üretim pratiği, ömür ve üretim verimliliğini birlikte optimize edecek yönde yeniden değerlendirilebilir

---

İlk şarj koşulları ömrü ve üretim süresini değiştiriyor

• Lityum iyon pillerde ilk şarj, pilin daha sonra ne kadar kararlı çalışacağını ve bozulmadan önce kaç şarj-deşarj döngüsüne dayanacağını belirler
• SLAC-Stanford Battery Center araştırmacıları, Joule'da yayımlanan çalışmalarında yeni piller ilk kez alışılmadık derecede yüksek akımla şarj edildiğinde ortalama ömrün %50 arttığını doğruladı
• Aynı koşullarda ilk şarj süresi de mevcut 10 saatten 20 dakikaya düştü
• Çalışmaya SLAC/Stanford ekibi öncülük etti; Toyota Research Institute(TRI), MIT ve University of Washington araştırmacıları da katıldı

SEI koruyucu tabakasının oluştuğu formation aşaması

• Araştırma ekibi, katot ve anotun elektrolit çözeltiyle çevrelendiği pouch cell hücreleri üreterek ilk döngüde meydana gelen değişimleri gözlemledi
• Pil şarj olurken lityum iyonları depolanmak üzere anoda gider; deşarj sırasında ise tekrar katoda dönerek elektron akışı oluşturur
• Yeni bir pilin katodu başlangıçta lityumla %100 doludur ve şarj-deşarj döngüleri tekrarlandıkça lityumun bir kısmı inaktif hale gelir
• İlk lityum kaybının bir bölümü, anot yüzeyinde solid electrolyte interphase(SEI) adı verilen yumuşak bir tabaka oluşturmak için kullanılır
  • SEI, anodu yan reaksiyonlara karşı korur
  • Yan reaksiyonlar lityum kaybını hızlandırabilir ve pilin daha hızlı bozulmasına yol açabilir
• İlk şarj, üretim sürecinin son aşaması olan formation adımıdır; bu aşama başarısız olursa o ana kadar pile yatırılan değer ve emek boşa gider

Düşük akım pratiği ile yüksek akım deneyinin farkı

• Üreticiler genellikle yeni pillerin ilk şarjını düşük akımla yaparak en sağlam SEI tabakasını oluşturmayı amaçlayan bir yaklaşım benimsedi
• Düşük akımlı şarj uzun sürer, maliyeti yüksektir ve her zaman en iyi sonuca götürmez
• Son araştırmalar, daha yüksek akımla hızlı şarj etmenin pil performansını düşürmeyebileceğini göstermişti; bu çalışma ise bunun nedenini daha derinlemesine analiz ediyor
• İlk şarj sırasında SEI oluşumuna etki eden onlarca değişken bulunduğundan, tüm kombinasyonları laboratuvarda test etmek zordur

Makine öğrenimiyle sıcaklık ve akım temel değişkenler olarak daraltıldı

• Araştırma ekibi, iyi sonuç veren en önemli değişkenleri bulmak için bilimsel makine öğrenimi kullandı
• Çok sayıdaki değişken içinde özellikle sıcaklık ve şarj akımı olmak üzere iki unsurun büyük etkiye sahip olduğu görüldü
• Yüksek akımlı ilk şarj, test edilen pillerin ortalama ömrünü %50 artıran belirgin bir etki yarattı
• Yüksek akım koşulları, başlangıçtaki lityum inaktivasyonu oranını mevcut yöntemdeki yaklaşık %9'dan yaklaşık %30'a çıkardı; ancak bu değişim tersine performans iyileşmesiyle sonuçlandı

Büyük ilk kaybın sonradan verimliliği artırma biçimi

• Başlangıçta daha fazla lityum iyonunu inaktif hale getiren bu yöntem, ağzına kadar dolu bir kovayı taşımadan önce içindeki suyun bir kısmını boşaltmaya benzetiliyor
• Kovada boş alan olduğunda hareket sırasında daha az su sıçradığı gibi, SEI oluşumu sırasında daha fazla lityumun inaktif hale gelmesi katotta boş alan yaratıyor
• Bu boş alan, elektrotların sonraki döngülerde daha verimli çalışmasına yardımcı oluyor ve sonraki performansı iyileştiriyor
• Sadece iyi bir pil üreten koşulları bulmaktan öte, bu koşulların nasıl çalıştığını anlamak, bunları üretim sürecine uygulamayı kolaylaştırır
• Böyle bir anlayış, pil performansı ile üretim verimliliği arasındaki dengeyi yeniden kurmak için gereklidir

Üretim süreci optimizasyonuna dönüşme olasılığı

• Pil üretimi; sermaye, enerji ve zaman açısından maliyetli bir süreçtir ve yeni üretim hatlarının devreye alınması da uzun sürer
• Süreç değişkenlerinin çokluğu da en iyi koşulları bulmayı zorlaştırır
• Bu sonuçlar, pil üretiminin kritik bir aşaması olan ilk şarjı anlama ve optimize etme konusunda genellenebilir bir yaklaşım sunuyor
• TRI, bu çalışmadan elde edilen bulguların gelecekte yeni süreçlere, tesislere, ekipmanlara ve pil kimyalarına aktarılabileceğini belirtti
• Araştırma, Toyota Research Institute'un Accelerated Materials Design and Discovery programı tarafından finanse edildi

[GN⁺]

Hacker News yorumları

• Sektörde biraz çalışmış biri olarak bu araştırmaya biraz kuşkuyla yaklaşıyorum. Bu doğru olsaydı, ilk şarj koşullarını farklı tutan önceki araştırma veya deneylerde de daha iyi yaşlanma performansı görülürdü; çünkü bu tür örnekleri kesinlikle görmüş olurduk.
  Üstelik büyüyen katı elektrolit arayüzü (SEI) katmanının hücrenin empedansını ne kadar değiştirdiğine, bunun da sonraki şarj hızını ve kullanılabilir kapasiteyi ne kadar düşürdüğüne bakmak gerekir.

  • Katılıyorum. Sadece bu özet, düzinelerce başka laboratuvar testiyle çelişkiyi açıklamak için yetersiz. Çeşitli üreticilere (Samsung/Sony/Panasonic) ait 21700 hücrelerinden birkaç kutu var ve 2 yılı aşkın süredir yaşlandırma testi yürütüyorum.
    Tüm lityum-iyon ve lityum-polimer kimyalarında ortak görülen şey şu: %60’ın altına kadar derin deşarj etmek kullanılabilir şarj döngüsünü 8000’den 2000’in altına düşürüyor; yüksek akımlı deşarj veya hızlı şarj kapasite kaybını yılda yaklaşık %15 hızlandırıyor; dendrit kaynaklı kısa devre kusurları hücreye zarar verirken iç direnç ve kendi kendine deşarj oranı birlikte artıyor.
    Bu teknik tüm hücre kimyalarında işe yarıyorsa oldukça şaşırtıcı bir sonuç.
  • Elektrikli araçlarda Supercharger kullanımı başta epey olumsuz görülüyordu ama sonradan pil ömrünü sanıldığı kadar kötü etkilemediğine dair sonuçlar çıkmamış mıydı?
    https://electrek.co/2023/08/29/tesla-battery-longevity-not-a...
  • Makaledeki benzetme de birçok açıdan şüpheli.
    “Başta daha fazla lityum iyonunu uzaklaştırmak, dolu bir kovayı taşımadan önce içinden biraz su almak gibidir. Daha fazla boş alan oluşursa taşıma sırasında su daha az sıçrar. Benzer şekilde, SEI oluşumu sırasında daha fazla lityum iyonunu etkisizleştirmek katotta boş alan yaratır ve elektrodun daha verimli döngü yapmasını sağlayarak sonraki performansı iyileştirir” gibi bir açıklama; ama pek sağlam görünmüyor.

• Üretim aşamasında da tutarsa gerçekten harika bir keşif. Göz önünde saklı duran bir proses değişkeniymiş.

  • Şirketler bunu asla yapmaz gibi geliyor. Çünkü böyle olursa kârları azalır.
    Basit bir önlemle pil ömrünü ciddi biçimde uzatmanın mümkün olduğuna dair yazılar şurada burada oldukça sık görülüyor, ama çok özel kullanım alanları dışında pratikte uygulanmıyor.
    Genelde aynı ömrü koruyup enerji yoğunluğunu artırma yoluna gidiliyor. Yüksek voltajlı lityum-iyon hücreler (şarj sonu voltajı 4.2V’un üzerinde olanlar) buna örnek; 4.2V’a kadar şarj edilseler önceki türlerden çok daha uzun dayanırlardı, ama üreticiler 4.3V, 4.35V, hatta 4.4V diye reklam yapıp bunun getirdiği ek kapasiteyi öne çıkarmayı tercih ediyor.

• Özetle, pilin ilk formasyon şarjı sürecinde lityumun bir kısmı etkisizleşerek anot çevresinde yumuşak bir koruyucu katman olan katı elektrolit arayüzünü (SEI) oluşturuyor.
  Mevcut üreticiler genelde yavaş formasyon şarjı yapıyor ve bu sırada lityumun yaklaşık %9’u SEI’ye gidiyor. Sağlam bir katman oluşturmak için bunun gerekli olduğu düşünülüyordu; ancak bu çalışmadaki daha yüksek ilk şarj akımında %30’u SEI oldu.
  Yani aynı lityum miktarı baz alındığında pil kapasitesinden biraz kaybediliyor, ama elektrot koruma katmanı kalınlaştığı için sonraki şarj döngülerinde ömür iyileşiyor açıklaması bu.

  • Yapı kapasiteyle takas üzerine kuruluysa, kimyayı LTO gibi biraz değiştirmek daha iyi olmaz mı diye düşünüyorum. Yine de bu makale, pratik uygulamadan çok böyle bir olgunun varlığına odaklanıyor gibi.
  • O %9’luk katmanı oluşturmak ne kadar sürüyor merak ediyorum.

• Fazla deşarj olduğu için şarj olmayan bir lityum pili, tam dolu bir pile birkaç saniye bağlayarak hayata döndürdüğüm olmuştu.

  • Bu, kimyadan çok pilin içindeki elektronik devre meselesine yakın. Standart batarya yönetim sistemini (BMS) yok sayıp herhangi bir güç kaynağıyla zorla besleyebilirsiniz.
  • Bu, alternatörünün bozuk olduğunu sanan bir arabayı başka bir araba ve onun alternatörüyle takviye çalıştırmaya benziyor.
    Kelimenin tam anlamıyla “riski göze alıp tek atış denemek” gibi.

• Elektrot üzerindeki iyi bir SEI katmanı önemliyse, pili monte etmeden önce elektrotlara bu katmanı önceden kaplamak mümkün değil mi? Böylece katmanın biçimi de daha düzgün yapılabilir.

• Pil ömrünün tam olarak ne anlama geldiğini karıştırıyorum. Kapasite düşüşü mü, yoksa rastgele arıza mı?
  Bu buluş kapasite düşüşünü yavaşlatıyor ama elektrikli araç bataryasının aniden arızalanma olasılığını 100 kat artırıyorsa maliyet açısından bir iyileşme değildir. Tüketici cihazları için kabul edilebilir olabilir ama.

  • Ömrün iki türü var: raf ömrü ve %100’e kadar şarj edip neredeyse %0’a kadar deşarj edilen şarj döngüsü ömrü.
    Şarj-deşarjı 80/20 aralığında tutarsanız pil ömrü çoğunlukla raf ömrüyle sınırlanır. Örneğin bir Nissan Leaf’i %20–80 şarj durumu aralığında tutarsanız muhtemelen 20 yıl dayanabilir; ama her seferinde DC hızlı şarjla %100’e kadar doldurursanız 2000 döngü, kabaca 5–7 yıl kadar kullanabilirsiniz.

• Kafam karıştı; bu sadece bir tahmin mi, yoksa deneyle doğrulanmış mı?

• Yakın zamanda bir makalede, akımı iki katına çıkarıp 2kHz frekanslı kare dalgayla şarj edince pil yaşlanmasının fiilen ortadan kalktığı sonucunu gördüğümü hatırlıyorum.

  • Bu olgu hakkında iki yeni makale var gibi.
    2021: düşük frekanslı darbeli şarj https://vbn.aau.dk/ws/portalfiles/portal/451327786/C5.pdf
    2024: yüksek frekanslı darbeli şarj https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202400190
    Şu an düzgün okuyacak durumda değilim ama oldukça ilginç bir araştırma alanı.

• Yüksek voltajlı elektriğin ahşabı aşındırma biçimi gibi, mikroyapıyı yakarak işleyip filaman oluşumuna karşı daha kararlı hale getiriyor sanki.

• Özetle yüksek akım, anot üzerindeki katmanın biraz farklı ve doğal olarak daha hızlı oluşmasını sağlıyor. Daha önce yavaş ilk şarjın daha iyi formasyon sağladığı düşünülüyordu.
  Bu, temel bir keşiften çok proses ayarıyla elde edilen kademeli bir iyileştirmeye yakın.

  • Bu ister “proses ayarı” olsun ister “gerçekten temel keşif”, pil ömründe %50 artış her hâlükârda çok büyük bir şey.
    Yalnız komplo teorisi gözüyle bakarsak birçok tüketici elektroniği üreticisinin bundan hoşlanmayacağını düşünüyorum. Azalan pil kapasitesi, değişim döngüsünü zorlayan büyük bir etken olsa gerek.
    Günümüzde genelde 2–3 yıl kadar geçince telefon pil kapasitesindeki düşüş fark edilir hale geliyor. Telefonun kendisi iyi çalışıyor, yeni model özelliklerine de pek gerek yok ve sadece pili değiştirebileceğimi biliyorum; ama bazen “pili değiştireceğime yeni telefon alayım” diye düşünüyor insan.
    Pil ömrü %50 daha uzun olursa azalmış pil kapasitesini yükseltme bahanesi yapmak pek mümkün olmayacaktır.
  • Muhtemelen “negatron” değil, anot demek istemiş.