Derin Okuma — Aging ve Grading

Kavanozdaki sessiz saat

Bir depo rafında, etiketi hala okunaklı bir kutu duruyor. İçindeki hücreler üretim bandından çıkalı tam doksan gün olmuş. Kimse onlara dokunmadı, hiçbir yere takılmadılar, hiç şarj olmadılar. Yine de o doksan gün boyunca içlerinde bir şey oldu. Elektrolitin içindeki lityum iyonları yavaşça katot yüzeyine yerleşti, anot üzerinde ince bir pasif film kalınlaştı, ilk şarjda kaybedilecek kapasitenin bir kısmı çoktan buharlaştı. Hücre sağlam görünüyor.

Ölçüm cihazı da sağlam diyor. Ama o hücre, doksan gün önceki hücre değil.

Batarya dünyasında bu olguya iki ayrı isim verilir ve ikisi sık sık karıştırılır. Aging, hücrenin zamanla ve kullanımla kapasite ile direnç kaybetmesidir. Grading ise bu kaybın ölçülüp hücrelerin performans bantlarına ayrılmasıdır. Biri fiziksel süreç, diğeri ticari karar. İkisini ayıramayan bir alıcı, rafta bekleyen bir partiyi sıfır kilometre sanıp satın alır ve altı ay sonra garanti talebiyle kapınıza gelir.

Takvim yaşı ile kullanım yaşı neden ayrı sayılır

Bir hücrenin yaşlanması iki saatle ölçülür ve bu saatler aynı hızda işlemez. Takvim yaşlanması, hücre hiç kullanılmasa bile işleyen süreçtir. Sıcaklıkla hızlanır, şarj durumuyla beslenir. Yüzde yüz dolu bir hücre, yüzde otuz dolu bir hücreye göre kabaca iki ila üç kat hızlı takvim yaşlanması yaşar. O yüzden depoda bekleyen hücreler yüzde otuz-kırk şarj aralığında tutulur, yirmi beş dereceyi geçmeyen ortamda saklanır.

Sıcaklığın etkisi doğrusal değil, üstel bir eğri izler. Yirmi beş derecede yılda yüzde iki kapasite kaybeden bir hücre, kırk beş derecede aynı sürede yüzde sekiz ila on iki arasında kaybedebilir. Kabaca her on derecelik artış, takvim yaşlanma hızını ikiye katlar. O yüzden bir depo, yaz aylarında klimalı tutulur ve bu maliyet, hücre fiyatına sessizce gömülür. Depo sıcaklığını iki derece düşürmek, bir partinin raf ömrünü aylarca uzatabilir.

Döngü yaşlanması ise her şarj-deşarj turunda biriken yıpranmadır. Burada belirleyici olan tur sayısı değil, turların derinliğidir. Yüzde yüzden yüzde sıfıra inen bir tam tur, yüzde elliden yüzde otuza inen bir yarım turdan çok daha yıkıcıdır. Lityum demir fosfat hücrelerde üç bin ila altı bin tam tur, nikel manganez kobaltta bin beş yüz ila iki bin beş yüz tur, nikel kobalt alüminyumda ise sekiz yüz ila bin beş yüz tur tipik ömür bandıdır. Sayılar hücre kimyasına, sıcaklığa ve şarj hızına göre yarıya inebilir ya da ikiye katlanabilir.

Şarj hızı da bu denklemin içinde ayrı bir kaldıraçtır. Bir hücreyi nominal kapasitesinin bir katı akımla şarj etmek, yarım katı akımla şarj etmeye göre döngü ömrünü kabaca yüzde otuz ila kırk kısaltır. Hızlı şarj, lityum iyonlarını anot yüzeyine hızlı iter ve bir kısmı grafit katmanlarına girmek yerine yüzeyde metalik lityum olarak birikir. Birikim, hem kapasiteyi düşürür hem iç direnci yükseltir hem de güvenlik riskini artırır. O yüzden hızlı şarj protokolleri, sıcaklık ve voltaj penceresiyle sürekli denetlenir.

İki saat birbirini besler. Sıcak bir depoda bekleyen hücre, döngü testine daha yorgun girer. Aynı hücre, serin bir depoda bekleseydi aynı tur sayısında daha yüksek kapasite koruyacaktı. O yüzden bir hücrenin sağlık durumunu yalnızca döngü sayısıyla açıklamak, bir insanın yaşını yalnızca attığı adımla ölçmeye benzer.

Grading masasında ne olur

Grading, hücrelerin ölçülüp sınıflandırıldığı bir süreçtir ve üç temel ölçüm üzerine kurulur. Kapasite, hücrenin belirli bir deşarj akımında verdiği toplam yük. İç direnç, akımın hücre içinden geçerken karşılaştığı direnç. Kendi kendine deşarj, hücrenin yüksüz beklerken kaybettiği yük. Üçü birlikte okunmadan bir hücreye sınıf atamak, eksik bir karneyle öğrenci geçirmeye benzer.

Tipik bir grading hattı şöyle işler. Hücre önce standart sıcaklıkta koşullandırılır, ardından referans akımla tam şarj edilir, sabit akımla deşarj edilir ve kapasitesi ölçülür. Sonra kısa bir yüksek akım darbesiyle iç direnç okunur. Son olarak hücre belirli bir süre bekletilip voltaj düşüşü izlenerek kendi kendine deşarj hızı hesaplanır. Döngü hücre başına kabaca iki ila altı saat sürer ve hat kapasitesi saatte birkaç yüz ila birkaç bin hücre arasında değişir.

Kapasite ölçümünün kendisi de bir tercih meselesidir. Aynı hücre, 0,2 kat akımla deşarj edildiğinde 1 kat akımla deşarj edildiğine göre yüzde üç ila beş daha yüksek kapasite verir. O yüzden grading raporundaki kapasite değeri, hangi akımda ölçüldüğü yazılmadan anlamsızdır. Bir tedarikçi "yüzde doksan beş kapasite" dediğinde, sorulacak ilk soru hangi deşarj akımında ve hangi sıcaklıkta ölçüldüğüdür. Aynı hücre, farklı test koşullarında yüzde seksen beş de görünebilir, yüzde doksan beş de.

İç direnç ölçümü ise en yanıltıcı kalemdir. Bir saniyelik akım darbesiyle ölçülen direnç ile on saniyelik darbeyle ölçülen direnç aynı değildir. Kısa darbe, elektrolit ve temas direncini okur. Uzun darbe ise elektrot içindeki yük transfer direncini de ekler. İki değer arasındaki fark, hücrenin yaşlanma profilini ele verir. Yaşlı bir hücrede uzun darbe direnci, kısa darbe direncinden belirgin şekilde daha hızlı yükselir.

Sınıflandırma sonrası hücreler A, B, C gibi bantlara ayrılır. A bandı, nominal kapasitenin yüzde doksan beşinin üzerinde kalan ve iç direnci dar bir aralıkta toplanan hücrelerdir. B bandı yüzde seksen beş ila doksan beş arasıdır ve genelde ikinci kullanım ya da daha az kritik uygulamalar için ayrılır. C bandı bunun altıdır ve çoğu zaman geri dönüşüme gider. Bantlar arasındaki fiyat farkı, hücre maliyetinin yüzde onundan yüzde altmışına kadar açılabilir.

Bantlar arasındaki sınır, kimyaya göre kayar. Yüksek enerjili nikel kobalt alüminyum hücrelerde yüzde doksan beş kapasite eşiği, uzun ömürlü lityum demir fosfat hücrelerde yüzde doksan olarak uygulanır. Çünkü lityum demir fosfatın deşarj eğrisi çok düz olduğundan, kapasite ölçümü voltajdan okunamaz ve tam deşarj döngüsü zorunlu olur. Bu, grading süresini uzatır ve hattın saatlik hücre kapasitesini düşürür.

Eşleştirme neden tek tek ölçümden daha zor

Bir paket, seri bağlı hücrelerden oluşur ve seri bağlı hücrelerde en zayıf halka tüm dizinin performansını belirler. Yüzde doksan beş kapasiteli bir hücre ile yüzde seksen beş kapasiteli bir hücre aynı seriye girdiğinde, paket yüzde seksen beşte çalışır. Zayıf hücre daha erken boşalır, daha erken ısınır, daha hızlı yaşlanır ve sonunda diziyi kendisiyle birlikte aşağı çeker. O yüzden grading, hücreleri tek tek ölçmekle bitmez. Eşleştirme aşaması gerekir.

Eşleştirmede kapasite, iç direnç ve kendi kendine deşarj değerleri dar bantlara oturtulur. Tipik bir üretim hattında kapasite toleransı yüzde bir ila iki, iç direnç toleransı yüzde beş ila on aralığında tutulur. Toleranslar daraldıkça paket ömrü uzar ama elde kalan hücre sayısı düşer, yani fire artar. Bir hücre partisinin yüzde onu eşleştirme dışı kalıyorsa, o partinin gerçek maliyeti etiket fiyatının üzerindedir.

Kendi kendine deşarj kalemi, eşleştirmenin en gözden kaçan ayağıdır. Bir hücrenin aylık kendi kendine deşarj oranı yüzde bir ile yüzde üç arasında değişir ve bu fark, altı aylık bir depolamadan sonra paket içinde ciddi dengesizlik yaratır. Aynı paketteki iki hücre, aynı kapasite ve dirençte olsa bile farklı kendi kendine deşarj hızına sahipse, üç ay sonra voltajları ayrışır. Ayrışma, paket yönetim sisteminin dengeleme devresini sürekli çalıştırır ve o devrenin harcadığı enerji, paketin verimini düşürür.

Eşleştirme toleransı, uygulamanın kritikliğine göre değişir. Bir elektrikli araç paketinde kapasite toleransı yüzde birin altına çekilirken, bir enerji depolama sisteminde yüzde üç kabul edilebilir. Çünkü araç paketinde ağırlık ve hacim kritikken, sabit depolamada bu kısıtlar gevşer ve daha geniş toleransla daha fazla hücre kullanılabilir hale gelir. Aynı hücre partisi, bir uygulamada A bandına, diğerinde B bandına düşebilir.

Burada ticari bir tuzak var. Ucuz hücre satan tedarikçiler genelde grading raporu sunmaz, yalnızca "test edildi" der. Test edildi ifadesi, ölçümün yapıldığını söyler ama hangi bantta olduğunu söylemez. Aynı partiden çıkan hücreler yüzde yetmiş ile yüzde doksan beş arasında dağılmış olabilir. Partiyi paketlemek, karışık boyutlu tuğlalarla duvar örmeye benzer. Duvar ayakta durur ama ilk sarsıntıda çatlar.

Piyasa Hafızası. LG Chem'in 2020 batarya geri çağırması

Ekim 2020'de Hyundai, yaklaşık yetmiş altı bin Kona Electric aracını geri çağırdı ve toplam maliyet 900 milyon doları aştı. Sorunun kaynağı olarak gösterilen batarya hücreleri LG Chem tarafından üretilmişti ve araştırmalar, üretim sürecinde oluşan katlanmış anot tabakaları ile ayırıcı hasarını işaret etti. Kusurlar yangın riskini artırıyordu ve geri çağırma, batarya paketlerinin tamamen değiştirilmesini gerektirdi. Olay, hücre içi üretim kusurlarının grading ile yakalanamadığında ne kadar pahalıya patladığını gösterdi. Ders net. Grading, hücrenin dışarıdan ölçülebilen performansını sınıflar ama iç yapıdaki gizli kusuru her zaman yakalayamaz. O yüzden üretim kalitesi ile grading birbirinin yerine geçmez, birbirini tamamlar.

Küçük Bir Hesap. Bir hücre partisinin gerçek maliyeti

Sayılar temsili, mantık gerçek. Etiket fiyatı 10 dolar olan bir hücre, grading ve fire eklendiğinde gerçek maliyeti 12,5 dolara çıkıyor. Şimdi duyarlılık tarafına bak. Eşleştirme dışı oran yüzde on ikiden yüzde yirmiye çıkarsa, kullanılabilir hücre maliyeti 14 doları aşar. Aynı şekilde hücre etiket fiyatı 10 dolardan 8 dolara düşse bile fire oranı yüksek kalırsa, ucuz görünen hücre pahalı hücreden daha maliyetli hale gelir. Ucuzluk, fire oranı bilinmediğinde bir yanılsamadır.

Üç katmanlı okuma

Birincisi, aging iki saatle işler ve bu saatler ayrı sayılır. Takvim yaşlanması depolama koşullarıyla, döngü yaşlanması kullanım derinliğiyle hızlanır. Sıcaklık her on derecede hızı ikiye katlar, şarj hızı döngü ömrünü yüzde otuz kısaltır. Bir hücrenin sağlığını tek bir sayıyla açıklamak, iki saati tek saate indirmektir.

İkincisi, grading bir ölçüm değil bir karardır. Kapasite, iç direnç ve kendi kendine deşarj birlikte okunmadan bant ataması yapılamaz. Kapasite değeri hangi akımda ölçüldüğü yazılmadan, iç direnç hangi darbe süresiyle okunduğu belirtilmeden anlamsızdır. Eşleştirme toleransları daraldıkça paket ömrü uzar ama fire artar. Denge, batarya ekonomisinin görünmeyen merkezidir.

Üçüncüsü, üretim kalitesi ile grading birbirinin yerine geçmez. LG Chem geri çağırması, dışarıdan sağlam görünen bir hücrenin içinde taşıdığı kusurun ne kadar pahalıya mal olduğunu gösterdi. Grading, bilinen performansı sınıflar. Bilinmeyen kusuru ise yalnızca üretim disiplini yakalar.

Rafta bekleyen o kutu, doksan gün önceki kutu değil. Onu satın alan kişi, hangi saatin kaç tur attığını bilmeden ödeme yapıyor.