Gizli ısıl enerji depolama yöntemi ile lityum-iyon bataryaların ısıl yönetimi için kompozit faz değiştiren malzemelerin geliştirilmesi
Development of composite phase change materials for thermal management of lithium-ion batteries by latent thermal energy storage method
Yazar: EMRE BOZER
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET SELÇUK MERT
Yalova Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Isı depolama = Heat storage

Özet:
Uzun yıllardır birincil enerji kaynağı olarak kullanılan fosil yakıtlar, günümüzde çok büyük çevre kirliliğine neden olmaktadır. Bu kirliliğin en büyük etkisi küresel ısınma olarak karşımıza çıkmakta ve gezegenimize geri dönülmez zararlar vermektedir. Bu çevre kirliliği birçok büyük dünya ülkesi tarafından ciddi bir sorun olarak tanınmakta ve karbon emisyonlarının azaltılması konusunda diğer tüm dünya ülkelerine baskı yapmaktadır. Birçok ülke önümüzdeki 10-20 yıl içerisinde karbon ayak izlerini düşürmek için çalışmalar yürütmektedir.  Karbon salınımının azaltılması için en etkili yöntem yenilenebilir enerji kaynaklarının çoğalması ve enerjinin en etkili ve verimli biçimde kullanılmasıdır. Bu bağlamda, dünya genelinde yenilenebilir enerji kaynaklarının kurulu gücü hızla artmaktadır.
Yenilenebilir enerji kaynaklarının yaygınlaşması ile elektrik depolama teknolojilerinin gelişimi ve kullanımı gittikçe yaygınlaşmaktadır. Özellikle karbon salınımının düşürülmesi konusunda fosil kaynaklı araçlar yerine elektrikli araçların kullanımının artması elektrik depolamada kullanılan lityum bataryaların üretiminin artmasına sebep olmuştur. Lityum bataryalar elektik depolama konusunda yüksek kapasite, hızlı şarj, anlık yüksek akım gibi konularda birçok avantaja sahiptir. Ancak lityum bataryaların hassas kimyası, detaylı bir elektriksel ve ısıl yönetim ihtiyacı doğurmaktadır. Lityum bataryalar elektriksel ve ısıl olarak iyi yönetilmediklerinde, kapasite kaybı, pil şarj deşarj çevrim sayısında azalma ve daha ciddi sorun olarak büyük ve söndürülmesi zor yangınlara sebep olmaktadır. Özellikle elektrik ile çalışan araçlarda bu sorunlar hayati risklere sebep olacağından batarya yönetim sistemleri çok daha önemli bir konu haline gelmektedir. 
Lityum bataryaların elektriksel yönetiminde, Batarya Yönetim Sistemi (BMS) devreleri ve algoritmaları kullanılmaktadır. Bataryaların ısıl yönetiminde ise aktif ve pasif soğutma sistemleri sıkça tercih edilmektedir. Alüminyum, bakır gibi ısı iletimi yüksek malzemeler ve gizli ısı depolama teknikleri, pillerde oluşan ısıyı dağıtması amacı ile pasif sistemler olarak kullanılmaktadır. Su ve hava soğutmalı aktif sistemler veya aktif ve pasif sistemlerin hibrit bir şekilde çalıştığı yöntemler batarya depolama sistemlerinde ısıl yönetimi sağlamak için kullanılan en yaygın yöntemlerdir. 
Bu çalışmada, elektrikli araçlarda kullanılan batarya paketlerinin, piyasada ticari olarak bulunan lityum hücrelerinden küçük ölçekte seri ve paralel bağlantı şekilleri ile oluşturulması ve ısıl yönetiminin yapılması için faz değiştiren maddelerin kullanılması konusu incelenmiştir. Bu amaçla, parafin esaslı kompozit faz değiştiren malzemelerin hazırlanması ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, elde edilen kompozit FDM'lerin sahip olduğu erime gizli ısıları ve uygun faz geçiş sıcaklıkları temel alındığında lityum iyon bataryaların ısıl yönetim süreçlerinde kullanılabilme potansiyellerinin olduğu değerlendirilmiştir.

Abstract:
Our primal energy source of fossil fuels has used for a long time thus caused a big environmental pollution problem nowadays. We are now facing huge global warming problems because of this pollution, and it damages our planet with irreversible. This environmental pollution is recognized as a serious problem by many major world countries and puts pressure on all other world countries to reduce carbon emissions. Many countries are working to reduce their carbon footprint in the next 10-20 years. The most effective method to reduce carbon emissions is to increase renewable energy sources and use energy in the most effective and efficient way. In this context, the installed capacity of renewable energy resources is increasing rapidly around the world.
With the spread of renewable energy sources, the development and use of electricity storage technologies is becoming increasingly widespread. The increase in the use of electric vehicles instead of fossil-based vehicles, especially in reducing carbon emissions, has led to an increase in the production of lithium batteries used in electricity storage. Lithium batteries have many advantages in terms of electrical storage, such as high capacity, fast charging, and instantaneous high current. However, the delicate chemistry of lithium batteries requires detailed electrical and thermal management. When lithium batteries are not well managed electrically and thermally, they cause capacity loss, a decrease in the number of battery charge-discharge cycles, and more seriously it can lead hard-to-extinguish fires. Since these problems will cause life-threatening risks, especially in electric-powered vehicles, battery management systems become a much more important issue.
Battery Management System [BMS] circuits and algorithms are used in the electrical management of lithium batteries. Active and passive cooling systems are frequently preferred in the thermal management of batteries. Materials with high heat conduction such as aluminum and copper and latent heat storage techniques are used as passive systems to dissipate the heat generated in batteries. Water and air-cooled active systems or hybrid active and passive systems are the most common methods used to provide thermal management in battery storage systems.
In this thesis, the creation of battery packs used in electric vehicles from commercially available lithium cells with series and parallel connections on a small scale and the use of phase change materials for thermal management were examined. For this purpose, the preparation and characterization of paraffin-based composite phase change materials were carried out. As a result, it was evaluated that the obtained composite PCMs have the potential to be used in thermal management processes of lithium-ion batteries, based on their latent heat of melting and appropriate phase transition temperatures.