Jeff Dahn – 1 Milyon Millik Batarya

Jeff Dahn; Lityum-İyon bataryaların efendisi, Elon Musk’ın Gizli Silahı, 1 Milyon millik batarya hayalini gerçeğe dönüştüren adam. Profesör Jeff Dahn ismi tüm dünyada Lityum-iyon batarya teknolojileri ile birlikte anılan biridir. Kendisi ve ekibi 2016 yılında Tesla ile bir ortaklık kurdu. Amaçlarını uzun ömürlü, yüksek enerji kapasiteli ve düşük maliyetli bataryalar üretmek olarak belirlediler. 2019 senesinde yayımladıkları makale ile uzun ömürlü batarya hedefinin gerçekleştirilebilir olduğunu gösterdiler. Bakalım Jeff Dahn bize neler vaad ediyor?

Jeff Dahn Kimdir?

1979’dan beri bataryalar üzerine çalışıyor. Kendisinin ve ekibinin konu hakkında sayısız makalesi var. Çalışmalarını Kanada’daki Dalhousie Üniversitesi’nde yürütüyor. Lityum-iyon batarya teknolojileri hakkında önde gelen bir isim olduğunu söyleyebiliriz. Bataryaların ömür testleri hakkında öncü teknolojiler geliştirmiş. Geliştirdikleri metot sayesinde yıllar süren batarya ömür testleri haftalar mertebesine inmiş ve bu sayede yeni teknolojilerin denenip sonuçlarının kısa sürede görülmesinin önü açılmış. Jeff Dahn’nın Li-ion bataryalar öncesinde hidrojen yakıt hücreleri üzerine de çalışmalar yürüttüğünü biliyoruz.

Li-ion Üzerine Çalışmaları

Jeff Dahn’nın en bilinen çalışması NMC (nikel, maganez, kobalt) karışımlı bataryalar üzerinedir. Farklı malzemelerin avantajlarını bir araya getirmeyi amaçlayan bir teknolojidir. Bu formülasyon ile üretilen katotlarda 1/3Nikel, 1/3Manganez ve 1/3Kobalt bulunur. Günümüzde üretilen Li-ion bataryaların 10%’u bu kimyasal yapıyı kullanmaktadır.

Jeff Dahn ve ekibi 2008 yılında yeni bir test ve ölçüm metodu ortaya koymuşlardır. Bu sayede yıllar süren batarya ömür testlerinin haftalar içinde tamamlanması mümkün olmuştur. Kolombik verimliliği* yüksek hassasiyetle ölçmeye yarayan bu yöntem batarya üzerinde yapılan değişikliklerin performans ve ömür üzerindeki etkilerinin daha kısa sürede görülmesini sağlamıştır. Bu sayede batarya teknolojilerinin geliştirilme süreçleri kısalmıştır.

*Kolombik verimliliği en basit haliyle bir hücreye verdiğimiz enerji ile ondan geri alabildiğimiz enerjinin oranı olarak tanımlayabiliriz.

Tesla ile Ortaklığı

Daha öncesinde 3M firması ile çalışan Jeff Dahn ve ekibi 2016 senesinde Tesla ile 5 yıllık bir antlaşma imzaladılar. Amaç mükkemmel bataryaya ulaşmak; uzun ömürlü**, yüksek enerji kapasiteli ve düşük maliyetli.

**Bir hücre 99% verimlilikle çalışıyorsa bu her şarj-deşarj çevriminde kalan kapasitesinin %1’ini kaybedeceği anlamına gelir. 50 çevrim sonunda kapasitesinin/faydalı ömrünün %40’ını tüketmiş demektir. Günümüz Li-ion bataryalarında ortalama verimlilik değeri 99,9% iken Tesla’nın hedefi bunu 99.99%’a çıkartmaktır. Aynı bataryayı milyon kilometreler boyunca kullanabilmek için gereken şart budur.

Jeff Dahn Eylül 2019’da ünlü makalesini yayımladı ve 1 milyon millik (1.6milyon kilometre) bataryanın mümkün olduğunu duyurdu. Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium Ion Cell Chemistry to be used as Benchmark for New Battery Technologies başlıklı çalışmada 4000 şarj çevriminden sonra dahi kapasitelerinin 90%’nı koruyan test bataryalarının sonuçları paylaşıldı. Üstelik kullandıkları hücre kimyasının sıcaklık değişimlerinden çok az etkilendiğini belirttiler.

Test edilen hücre formülasyonu 5xNi, 3xMn, 2xCo’dan oluşmaktadır. Bu bataryaların spesifik enerji kapasitesi 200Wh/kg ‘iken Tesla Model 3’de kullanılan bataryalarda bu değer yaklaşık 250Wh/kg’dır. Yani Jeff Dahn’nın bataryaları tüm ömürleri boyunca 1.6 milyon kilometre yol yapabilecekken tek bir şarj ile gidebilecekleri menzil Model 3’ün gerisinde kalacaktır (415km vs. 495km). Sonuç; tek seferde daha kısa bir menzil ancak çok daha uzun bir faydalı kullanım ömrü.

Bu bataryalar mevcut Model 3 bataryalarından daha fazla kobalt içermektedirler. Kobalt hem pahalı hem de elde edilmesi zor ve tehlikeli bir malzemedir. Sırf bu sebeplerden Tesla Battery Day sunuşunda kobalt kullanımını azaltmayı hedeflediklerini duyurmuştu. Burada bir çelişki mi var? Yoksa Elon Musk sağ gösterip sol mu vuracak?

Elon Musk’ın 1 Milyon Millik Batarya Hayali

Elektrikli araçlar hakkındaki müşteri algısını olumsuz etkileyen durumlardan bir tanesi bataryaların faydalı ömürlerinin aracın kullanım ömründen kısa olması durumudur. Kullanıcıların bir kısmı böyle bir durumda yüklü bir maliyet ödeyerek yeni batarya paketi almak zorunda kalmaktan ötürü endişe duyabilirler. Günümüz üreticileri bataryalarına genelde 240bin km (150bin mil) – 8 yıl ömür biçmektedir.

Jeff Dahn’nın 1 milyon millik batarya konsepti bu algı sorununu kökten çözecek bir senaryo sunuyor. Dolayısı ile biz normal otomobil kullanıcıları için endişelecek bir durum kalmıyor. Oysa sokaklara bakacak olursak 1-2 milyon kilometre yol yapmış bir otomobille karşılaşmamız neredeyse imkansızdır. Peki öyleyse 1 milyon millik bu bataryalara neden gerek duyuluyor? Kim kullanacak bu bataryaları?

1 Milyon Millik Bataryaya Ne Gerek Var?

Geldiğimiz bu noktada akıllarımızda 1 milyon millik bataryayı ne yapacağız sorusu var. Avrupa Birliği ülkelerinde bir otomobil kullanıcısı yılda ortalama 13bin kilometre yol yaparken; bu ortalama ABD’de 22bin km/yıl mertebesindedir. Yılda 25bin km yol yapan biri olduğumuzu düşünsek; aynı bataryayı 40 yıl kullanabiliriz. Aracımız bu sürenin yarısı çıkartsa şanslıyız! Demek ki bu hedef normal otomobil kullanıcıları dışında bir yerlere hizmet ediyor olmalı.

Jeff Dahn makalesinde geldikleri noktayı şöyle açıklıyor “geliştirdiğimiz hücreler bir elektrikli aracı 1.6milyon kilometre boyunce besleyebilirler. Bunu takip eden 15-20 yıl süresince de elektrik şebekelerine bağlı olarak enerji depolama amacıyla kullanılabilirler.

Bu şekilde uzun ömürlü bataryaların kullanım sahalarını da bize işaret etmiş oluyor; araçlar arası batarya değişimi (swap), uzun yol yapan ticari araçlar veya hiç durmadan çalışan robo-taksiler, araçtan şebekeye besleme (vehicle to grid) stratejisi ve yerleşik sabit enerji depolama sistemleri gibi…

Ev-İş arası gidip gelerek ve yılda bir defa yaz tatili için uzun yol yaparak milyon kilometre mertebelerine ulaşamayacağımızı biliyoruz. Ancak sürekli yollarda olan, yük veya insan taşıyan ticari araçlar için durum farklı olabilir. Özellikle yeni mobilite ekosisteminin parçası olması beklenen otonom taşıtların neredeyse hiç durmadan yollarda birilerini veya bir şeyleri taşıyor olacaklarını hayal ediyoruz. 1milyon millik bataryalar bu planların gerçek olması için gerekli.

Güneş ve rüzgar enerjisi kullanımının yaygınlaşması ve gerçek anlamda fosil yakıtların yerini alabilmesi için elektrik şebekelerindeki enerji depolama kapasitelerinin artması gereklidir. Bu sayede sadece güneş parladığında veya rüzgar estiğinde değil her zaman gerekli elektriği garanti edebiliriz. Milyon millik bataryalara sahip milyonlarca arabayı (kullanılmadıkları saatlerde) şebekeye bağladığımızda (Vehicle to Grid) bu bulmacadaki önemli bir parçayı çözmüş oluyoruz. Üstelik taşıtlardaki görev süreleri dolan bataryaları geri dönüşüm merkezlerine göndermek yerine sabit enerji depolama sistemlerinin bir parçası yaparak kullanmaya devam ediyoruz. İşte uzun ömürlü bataryalara bu sebeple ihtiyaç duyuyoruz.

1 Milyon Yetmez 2 Milyon Olsun

Jeff Dahn ve ekibi Tesla ile birlikte yürüttükleri ortak çalışmanın güncellenmiş sonuçlarını geçtiğimiz aylarda açıkladı. Son sonuçlar bataryaların 15000 çevrime kadar dayanabileceğini gösteriyor. Bu neredeyse yollarda 2milyon mil yapmak demek. 2019’daki makale elektrikli araçlarda 1 milyon millik batarya kullanım ömrünün mümkün olduğunu ortaya koyarken yeni sonuçlar hedefi daha da ileri taşımış durumda.
Yeni sonuçlar 350km menzile sahip bir elektirkli aracın 10.000 defa şarj edilebileceğini bu sayede toplamda 3.5milyon kilometre (2milyon mil) gidebileceğini gösteriyor.

Aynı çalışmada bataryaların tüm enerjisini kullanıp sonra 100% şarj etmek yerine kapasitelerinin belli oranında kullanılmaları halinde (örneğin 25-50% ‘ini kullanıp sonra tekrar şarj ettiğimizde) faydalı ömürlerinin çok daha uzun olacağı deney sonuçlarıyla gösterilmiş. Bu sonuçların ardından Jeff Dahn kritik soruyu hepimize birkez daha soruyor; “gerçekten bu kadar uzun ömürlü bir bataryaya ihtiyaç var mı?”.

Elon Musk’a göre robo-taksiler, elektrikli kamyonlar ve sabit enerji depolama tesisleri için var. Farklı kullanım alanlarının açılmasıyla batarya konusunun çok daha hızlı büyüyeceğini öngören Elon Musk bu konuda gerekli olacak üretim tesislerinin yatırımına başladı bile.

Sonuç

Jeff Dahn ve ekibinin bu çalışmasını Li-ion bataryaların mevcut tüm problemlerinin çözümü olarak değil o yönde atılan önemli bir adım olarak görmek lazım. Jeff Dahn’nın laboratuarında yaptığı çalışmalarla seri üretim hatlarının arasında hala uzun bir yol olsa da Tesla’nın bu yolda hızlı adımlar attığı da bir gerçek. Elon Musk’ın 2020 Battery Day sunuşunda da defalarca değindiği gibi bu işin sürdürülebilir ve karlı bir operasyon olması için ölçeklendirilmesi gerekli. Yani daha çok kullanım alanına hitap etmeli, daha çok müşteriye ulaşmalı, birim maliyetler aşağıya çekilmeli. 1 milyon millik batarya konsepti “vehicle to vehicle”, “Vehicle to grid”, “Vehicle to X” gibi konseptleri desteklediği için Elon Musk’ın bu hayallerinin gerçek olması yolunda kritik önem taşıyor. Jeff Dahn ve ekibini izmeye devam.

Referanslar

The Limiting Factor, “Jeff Dahn – Tesla Partner and Elon Musk’s Secret Weapon”,
https://www.youtube.com/watch?v=BX9yZAO7_HE

Undecided with Matt Ferrell, “New Tesla battery? Jeff Dahn and 1 million miles”,
https://www.youtube.com/watch?v=GJrsB0MJMsM

Emma Jarratt, “The Jeff Dahn interview: One-on-one with Canada’s foremost lithium-ion battery expert”, Electric Autonomy, https://electricautonomy.ca/2020/07/10/jeff-dahn-interview/ , 2020.

Russ Mitchell, “Elon Musk expected to tout ‘million-mile battery.’ Here’s what that means”, Los Angles Times, https://www.latimes.com/business/story/2020-09-21/the-million-mile-car-battery-what-is- known , 2020.

Fred Lambert, “Tesla battery researcher shows new test results pointing to batteries lasting over 2 million miles”, Electrek, https://electrek.co/2020/10/18/tesla-battery-test-results-over-2-million-miles/ , 2020.