Karbon fiber tabanlı yapısal piller, enerji depolama ve araçların yapısal bütünlüğünü sağlama özellikleri ile taşıt sektöründe devrim yaratmaya hazırlanıyor. Bu teknoloji, araçların ağırlığını %50’ye kadar azaltabilir ve enerji verimliliğini artırabilir.

Karbon fiber tabanlı yapısal piller, enerji depolamanın yanı sıra ürünlerin yapısal bir parçası olarak da işlev görebilen malzemeler. Bu yenilikçi teknoloji, Chalmers Teknoloji Üniversitesi’ndeki araştırmalar temel alınarak geliştiriliyor ve Sinonus şirketi tarafından ileri taşımacılık sektöründe uygulanıyor. Bu pillerin enerji yoğunluğu, mevcut lityum-iyon pillerin %25-50’si seviyesinde ve  taşıtların ağırlığını %50’ye kadar azaltma potansiyeline sahipler.

Karbon fiber kompozitlerin üretimi

Karbon fiber kompozitlerin üretimi, yüksek sıcaklıklarda karbon fiberlerin polimer matris içine yerleştirilmesiyle gerçekleşiyor. İlk olarak, poliakrilonitril (PAN) veya lignin gibi hammaddelerden karbon fiberler üretiliyor. Karbon fiberlerin üretim süreci enerji yoğun bir süreç ve geleneksel fırınlarda piroliz işlemi gerektiriyor. Ancak, mikrodalga teknolojisi kullanarak enerji tüketimi %90’a kadar azaltılabiliyor. Karbon fiberlerin elektrot olarak işlev görebilmesi için lityum demir fosfat (LiFePO4) ile kaplanması gerekiyor. Bu kaplama işlemi, elektroferez yöntemi ile gerçekleştiriliyor.

Taşıt sektöründeki devrim

Karbon fiber tabanlı yapısal piller, taşıt sektöründe devrim yaratma potansiyeline sahip. Bu teknoloji, araçların yapısal parçaları olarak işlev görerek ayrı bataryaların ağırlığını ortadan kaldırma olanağı ortaya koyuyor. Böylece, araçların ağırlığı %50’ye kadar azaltılabilir ve enerji verimliliği artırılabilir. Bu, elektrikli araçların menzilini uzatır ve yakıt tüketimini azaltır. Ayrıca, bu yapısal piller daha düşük enerji yoğunluğuna sahip olduğu için daha güvenli ve uçucu maddeler içermiyor.

Nasıl çalışır?

Karbon fiber tabanlı yapısal piller, hem mekanik bütünlük sağlar hem de enerji depolar. Karbon fiberler, lityum iyonlarını tutma ve elektronları iletme yeteneğine sahipler. Polimer matris, yük taşıma işlevini yerine getirirken aynı zamanda iyon iletkenliği sağlar. Pozitif ve negatif elektrotlar arasında bir ayırıcı bulunur ve bu ayırıcı, mekanik ve elektro-kimyasal performansı artırır. İnce bir ayırıcı, elastik modülü ve enerji yoğunluğunu artırırken, kalın bir ayırıcı bu özellikleri azaltır.

Avantajlar: Enerji yoğunluğu ve ağırlık azaltma

Yapısal pillerin enerji yoğunluğu, geleneksel lityum-iyon pillerin %25-50’si seviyesinde. Ancak, bu pillerin en büyük avantajı, enerji depolama kapasitesini aracın yapısal parçalarıyla birleştirme yetenekleri. Bu sayede, ayrı bir batarya paketi taşımak yerine, araç gövdesinin kendisi enerji depolayabiliyor. Bu, toplam araç ağırlığını azaltıyor ve enerji verimliliğini artırıyor. Örneğin, bir aracın kaputu, tavanı ve kapıları bu yapısal pillerle donatıldığında, geleneksel batarya paketine gerek kalmaz ve bu da ağırlık ve yer tasarrufu sağlar. Ayrıca, bu entegre yapı, araç tasarımında esneklik sağlar ve enerji depolama kapasitesinin daha verimli kullanılmasına olanak tanır.

Mevcut ve gelecek uygulamalar: Ne zaman kullanılabilir?

Yapısal pillerin ticari olarak kullanıma sunulması için birkaç yıl daha araştırma ve geliştirme çalışmaları gerekiyor. Şu anda, Sinonus bu teknolojiyi daha büyük uygulamalar için ölçeklendirme aşamasında ve elektrikli araçlar ve uçaklar için endüstri ortaklarıyla aktif olarak işbirliği yapıyor. Teknolojinin yaygın olarak kullanılabilir hale gelmesi, büyük olasılıkla 2030 yılına kadar gerçekleşecek.

Çevresel ve ekonomik etkiler

Yapısal pillerin üretimi, enerji yoğun karbon fiber üretimi nedeniyle çevresel etkilere sahip. Ancak, araçların ağırlığını azaltarak kullanım aşamasında enerji tüketimini önemli ölçüde azaltabilirler. Yapılan yaşam döngüsü değerlendirmeleri, yapısal pillerin çevresel etkilerini azaltmak için biyobazlı hammaddelerin kullanımı ve mikrodalga teknolojisi gibi gelecekteki teknoloji gelişim yollarını önermekte​. Bu gelişmeler, karbon fiber üretiminde fosil kaynak kullanımını azaltmayı ve geri dönüşüm teknolojilerini iyileştirmeyi hedefliyor.

Taşıt sektöründe devrim

Karbon fiber kompozitlerin taşıt sektöründe kullanımı, enerji verimliliği, ağırlık azaltma ve güvenlik konularında devrim niteliğinde bir gelişme potansiyeli taşıyor. Sinonus gibi şirketlerin çabaları ve ileri araştırma çalışmaları sayesinde, bu teknoloji gelecekte taşıt sektöründe yaygın olarak kullanılabilir hale gelecektir. Karbon fiber tabanlı yapısal piller, enerji depolama ve yapısal bütünlük sağlama yetenekleri ile taşıt sektöründe önemli bir yenilik vaat ediyorlar.

Kaynakça

• Hermansson, F., Edgren, F., Xu, J., Asp, L. E., Janssen, M., & Svanström, M. (2023). Climate impact and energy use of structural battery composites in electrical vehicles—a comparative prospective life cycle assessment. The International Journal of Life Cycle Assessment, 28, 1366-1381.
• Chalmers Teknoloji Üniversitesi Araştırmaları.
• Sinonus CEO’su Markus Zetterström’ün Açıklamaları.