Biyonik yaprak damarlı lityum iyon pil soğutma

Biyonik yaprak damarı çalışmaları yüksek ısıya maruz kalan cihazların ısıl yönetiminde ilham kaynağı olmuştur. Yaprakta bulunan damarların fiziki yapısı (dallanma yapısı), bitkinin su çekmesi sırasında içinde bulunacak sıvının hızlı bir şekilde uç kısımlara ulaştırması yönünde muazzamdır ve bu sayede hareket eden sıvının yayılım göstermesi buharlaştırmayı hızlandıracağından dolayı ısı transferine hızlı bir şekilde yardımcı olur. Yaprakta bulunan bu yetenek lityum iyon pil (LİP) lere entegre edilmeye çalışılmıştır¹.

Peki niçin LİP? Son yıllarda fosil yakıt kullanımından kaynaklı çevre kirliliğini azaltmak amacıyla elektrikli araçlarda yüksek enerji depolama özelliği bulunan LİP’ler yaygınlaşmaya başlamıştır ancak bu piller için asıl sorun yüksek sıcaklıklarda önemli ölçüde performans düşüklüğü göstermesidir. Pil sıcaklığını düşürmek için soğutma sistemlerinin püf noktası sıvı soğutma plakasıdır. Su sıvı olarak ulaşılabilirliği, yüksek ısı iletkenliği açısından tercih edilir ve faz değişim malzemeleri (PCM) olarak adlandırılır. Bahsi geçen plaka belirli mikrokanallardan oluşmaktadır ayrıca düşük maliyet, yüksek ısı transfer verimliliği sebebiyle büyük oranda tercih edilmektedir. Çözüm olarak oldukça etkili olmasına karşın PCM maddesine bazı kanatçıklar takılarak bu kanatçıkların gözenekli yapısının ısı transferini iyileştirdiği görülmesiyle birlikte kullanılan malzemelerin yüksek sıcaklıklarda erime durumu ve kararlılığının zayıf olması söz konusu olmuştur. Üstesinden gelinmesi gereken bir diğer sorun ise PCM maddesinin topolojik tasarımlarının ısı transferine uygun bir şekilde yeterince olanak sağlamamasıdır. Soğutma plakası üzerinde üç ana kanal olarak adlandırılan bir optimize sistemi önerilmiştir. Geleneksel optimizasyon (S, U ve düz kanal şeklinde), biyonik optimizasyon ve topolojik optimizasyon seçenekleridir. LİP’leri soğutmak için düz mikrokanal yapısına sahip plaka tasarladıklarında; akış kanal sayısı ve akış yönü parametreleri üzerinden akış kanalı sayısının artış göstermesinin sistemin sıcaklığında azaltma meydana getirdiği bulgusuna ulaşmışlardır. Çift girişli ve çift çıkışlı S şeklinde kanallar önerilmiş ve olumlu sonuçlanmıştır. Ek olarak U şekline bir yapı sunulması ile pil bölümü termal performansının belirli bir sıcaklık değerine tutulduğu görülmüştür.

Ardından süregelen çalışmalara yeni bir soluk olarak biyonik yaprak damarı tasarımı oluşturularak (balık kılçığına benzer tasarım) sonuçta tek girişli ve çift çıkışlı kanal yapısının S kanal yapısına oranla basınç düşüşü azaldığı görülmüştür².

Dolayısıyla artık batarya devresine soğutma sistemi ekleme çalışmaları biyonik tasarım üzerinde popülerleşmiştir. Daha detaylı bakılacak olursa bu iki sistemin birleştiği nokta; pillerdeki sıcaklık dezavantajını optimize edebilmek için biyonik yaprak damarı mantığından faydalanarak yeni bir yaklaşım ortaya atılması olarak belirlenebilir. Geleneksel biyonik sistemlerin aksine biyonik yaprak damar yapısı baz alınarak soğutma sistemleri ile tasarlanmış bir yöntem tavsiye edilmiştir. Şöyle ki; birçok biyolojik sistem enerji dönüşümü ve materyal aktarımı için kanal sisteminden yararlanır. Biyonik yaprak yüzey yapısı mikro porlar sayesinde havalandırma ve su buharlaşması işlemlerini verimli duruma getirdiği gibi kanallar aracılığıyla da suyun taşınmasını sağlayarak ısı ve dengesiz kütle artışının önüne geçmiş olur. LİP ısı artışını optimize etmek için biyonik yaprakta olduğu gibi biyonik mikrokanal tasarımı oluşturulmasının ardından soğutma plakasının giriş çıkış noktalarındaki sıcaklık değerleri dikkate alınarak yeni düzenlemeler yapılmıştır. Örneğin, soğutma malzemesinin çıkış kısmında sıcaklık yükselişi görüldüğünden kanal sayıları artırılmış ve dar kanallar oluşturulmuştur.

Soğutma sisteminde biyonik yaprak damarı yüzgeçleri (YDY) ve PCM yer almaktadır. Yüzgeç boşlukları PCM malzemesi ile doldurulmuş ve YDY’nin ısı emicisi pil takımının üst soğutma kanalına bağlanmıştır. Bu sayede PCM ve pildeki yüksek ısı, ısı emici (yaprak damarı ile) ve soğutma sıvısı (PCM malzemesi içinde bulunan) arasında ısı alışverişi ile dengelenmiş olur³.

YDY, PCM erime süresini azaltma ve ağaç ısı emicinin termal verimliliği noktasında geleneksel paralel tasarımlara geçmiştir. Ancak LİP’leri iyileştirmek adına doğru biyonik yaprağı tasarlamak için birçok yaprak çeşidi belirli parametreler üzerinden kıyaslanılmış ve simülasyon sonuçlarına göre ısı transferi açısından üstünlük gösteren yaprak damarı optimize edilmiştir³.

Kaynaklar

1. 1. Zhan, S., Liang, L., Li, Z., Yu, C., & Wang, F. (2024). Topology optimization of liquid cooling plate for lithium battery heat dissipation based on a bionic leaf-vein structure. International Journal of Heat and Mass Transfer, 231, 125898
   2. Zhou, R., Pan, Y. H., Zheng, L., Fu, H., Shen, Y., Hao, M., … & Cheng, W. L. (2024). Study on heat transfer enhancement of spray cooling with bionic vein channel structured surface. Applied Thermal Engineering, 246, 12297
   3. Liu, F., Wang, J., Liu, Y., Wang, F., Chen, Y., Lu, Y., … & Yang, N. (2022). Performance analysis of phase-change material in battery thermal management with bionic leaf vein structure. Applied Thermal Engineering, 210, 118311.