Lityum iyon bataryalarda meydana gelen termal kaçak nedenlerinin araştırılması ve gaz salımının incelenmesi

Enerji yoğunluğu fazla olan lityum iyon bataryalar (LIB) çevre ve yakıt maliyeti vb. avantajlarından dolayı birçok alanda kullanılmaktadır. Fosil yakıt tüketiminin azaltılması ve küresel ısınma ile mücadele amacıyla elektrikli araçlar (EV) oldukça tercih edilmektedir. Lityum iyon bataryaların elektrikli araçlarda tercih edilmesi ile birlikte dikkat edilmesi gereken bazı güvenlik durumları ortaya çıkmıştır. Bataryaların hücrelerinde meydana gelebilecek ısı artışı, darbe etkisi, aşırı şarj ve deşarj, sıcaklık değişimleri, jet alevi veya radyan ısıya maruz kalma vb. faktörlere bağlı olarak termal kaçak (TR) oluşabilmekte, termal kaçak sonucu yangın ve patlamalar meydana gelebilmektedir. Elektrikli araçlarda arızalar olabileceği gibi günlük kullanımda insan kaynaklı yanlış kullanımlar sonucu da bazı problemler olabilmektedir. Bu problemler termal kaçak oluşturabilmektedir. Oluşan bu termal kaçak mekanik, elektriksel ve termal etki olarak sınıflandırılmaktadır. Tezin amacı bataryalarda meydana gelen gaz salımlarını, batarya yönetim sistemini, batarya termal yönetim sistemini ve tüm bu sistemlerin çalışma prensibini, çalışma mekanizmasını ve termal kaçak oluşum mekanizmasını parametrik olarak incelemektir. Konuyla ilgili literatür araştırması yapılmış olup yapılan literatür araştırması sonrası tez yazım aşamaları planlanmıştır. 18650 tipi cell boyutu lityum iyon pillerin kullanıldığı tez çalışmasında pilin dış etkenlerden alabileceği darbeler sonrası oluşabilecek termal kaçak durumu, gaz salımları ve sıcaklık değişimleri gözlemlenmektedir. % 0-60-70-80 SOC (pil doluluk oranı) seviyesinde 2400-2800-3600-4800 mAh. güçlerinde lityum iyon piller bir çivi vasıtasıyla delinerek sonuçları gözlemlenmiştir. H2 (hidrojen), VOC (uçucu organik bileşikler), HCl (hidrojen klorür), % LEL (alt patlama sınırı) ve CO2 (karbondioksit) salımını algılayan sensörlerin yer aldığı bu çalışmada sıcaklık değişimlerini gözlemlemek için termal kamera kullanılmaktadır. % 0 ve % 80 SOC seviyelerinde bazıları 2800 mAh. gücünde ve farklı türlerde 9 pil çeşitli dış etkenlere maruz bırakılarak gözlemlenmiştir. TR (termal kaçak) meydana gelme durumu pillerin SOC seviyesine göre değişiklik göstermektedir. % 60 SOC seviyesinde 4800 mAh. gücünde 9 ayrı pil delinerek verileri kaydedilmiştir. Bu pillerden hiçbirinde alevlenme gözlemlenmemiştir. Pillerin ulaştığı max. sıcaklık 177 ᵒC olarak kaydedilirken gaz salımı 1-29 saniye aralığında gerçekleşmiştir. % 70 SOC seviyesinde 2400 mAh. gücünde 7 ayrı pil delinerek gözlemlenmiştir. Gaz salımı 2-18 sn. aralığında gerçekleşmiştir. Gazların salımı sensörler vasıtasıyla kaydedilmiştir. Pillerden 5 tanesi alev alırken 2 tanesinde alevlenme gözlemlenmemiştir. Pillerin ulaştığı max. sıcaklık 290 ᵒC olarak kaydedilmiştir. % 80 SOC seviyesinde 3600 mAh. gücünde 8 ayrı pil delinerek gözlemlenmiştir. Gaz salımı 3-23 sn. aralığında gerçekleşmiştir. 7 pil alev alırken 1 tanesinde alevlenme olmamıştır. Ulaşılan max. sıcaklık 265 ᵒC olarak kaydedilmiştir. Gerçekleştirilen deneylerde en düşük gaz salımı süresi 1. saniyede gerçekleşirken en yüksek pil sıcaklığı ise 325 ᵒC olarak kaydedilmiştir. En yüksek sıcaklığın 325 ᵒC olarak kaydedildiği bu pil 2800 mAh. gücünde ve % 80 SOC seviyesindedir. 1. saniyede gaz salımına başlayan pillerden birinin sıcaklığı 177 ᵒC diğerinin sıcaklığı 110 ᵒC olarak gözlemlenmiştir ancak bu pillerde alevlenme olmamıştır. Diğer en düşük gaz salımı başlangıcı 3. saniyede gerçekleşmiştir. Bu pilin ulaştığı sıcaklık 262 ᵒC olarak kaydedilirken pil 24. saniyede alev almıştır. Gaz salımı 7. saniyede başlarken pillerden biri 24. saniyede diğeri ise 29. saniyede patlama reaksiyonu göstermiştir. Gerçekleştirilen deney verileri literatür ile karşılaştırılarak lisansüstü tezi tamamlanmıştır. Lityum iyon batarya yangınlarının çıkmasını engelleyebilecek, termal kaçak yayılımını azaltacak veya durduracak etkenleri tespit edebilmek, oluşabilecek kayıp ve hasarı en aza indirerek elektrikli araçlarda güvenliğin artmasını sağlamak amacıyla büyük öneme sahiptir. Pillerin SOC seviyesi, pil kimyası, darbe yeri ve sayısı vb. birçok faktör termal kaçak sürecini etkilemektedir.