Hibrit/elektrikli araçlarda kullanılan lityum bataryaların ısıl yönetimi için  nano-kompozit faz değiştiren maddelerin geliştirilmesi
Development of phase change material nano composite for thermal managment of lithium ion batteries used in hybrid-electric vehicles
Yazar: NURTEN ŞAHAN
Danışman: PROF. DR. HALİME ÖMÜR PAKSOY
Çukurova Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Ulaşım kaynaklı CO2 emisyonları dünyada toplamın %26'sını, ülkemizde %17'sini oluşturmaktadır. 2020'ye kadar ulaşımda hibrit/elektrikli araçların (HEA/EA) %20'ye çıkmasıyla, araçlardan kaynaklı emisyonların >%5,2 ve küresel CO2 emisyonun da %1,3-3'lük azalması beklenmektedir. HEA/EA'ın yaygınlaşması için kabul edilebilir menzili, rekabet edebilir hacim, ağırlık ve maliyette sağlayabilen güvenli bir depolama sistemi mevcut değildir. Bu kısıtları aşmak için önerilen sistemlerinin başında gelen Lityum temelli pillerin depolama kapasitesinin ve ömrünün korunması için çalışma sıcaklığının 20-55°C arasında olması gerekmektedir. Bu sıcaklığın üstünde pil kapasitesi dramatik şekilde düşmekte ve daha yüksek sıcaklıklarda patlamayla sonuçlanan bir ısıl kararsızlık görülmektedir. Bu çalışmada Lityum iyon pillerin ısıl yönetimi için faz değiştiren madde (FDM) nano-kompozit içeren bir prototip geliştirilmiştir. Şehir içi çevrim uygulamalarına göre farklı ortam sıcaklıklarında yapılan denemelerde FDM'siz batarya bloğunun sıcaklığının dış ortam 30°C'lerdeyken bile 80°C ye ulaştığı, geliştirilen %10 nanomagnetit-parafin içeren prototiple 40°C'lik farkla güvenli sıcaklık aralığında kalındığı görülmüştür. Bu durum bataryanın hem güvenli kullanılabilmesini hem de batarya bloğu içinde homojen sıcaklık dağılımı ile daha uzun ömürlü olmasını sağlamaktadır.

Abstract:
Share of CO2 emissions from transportation is 26% of in the world and 17% in Turkey. By increasing hybrid/electric (HEV/EV) cars by 20% until 2020, CO2 emissions are expected to decrease by 5,2% in transportation sector and 1,3-3% in total emissions. The main barrier for spreading of HEV/EV technology is the energy storage systems that can provide acceptable range in competitive volume and size economically and in a secure way. The foremost security risk in Lithium ion batteries, which are one of the recommended systems, is thermal instability due to overheating. At normal current/ resistance levels and operating conditions, temperature of Lithium ion cells has to be kept in the range of 20-55°C. Capacity of the battery falls significantly at operating temperatures higher than these and at higher temperatures explosion as a result of thermal run away can occur. In this study, a new thermal management prototype for Lithium ion batteries using phase change material (PCM) nano-composite has been developed. Urban driving cycle performance tests done at different ambient temperatures showed that temperature of the battery pack without PCM protection can go up to 80°C even at 30°C ambient temperature, whereas with PCM+10% nanomagnetite maximum temperatures were 40°C less and stayed within  secure temperature at all ambient temperatures tested.  Hence, a secure operation of the battery was made possible and also by providing a homogeneous temperature distribution in the battery its life time can be prolonged.