Teknolojinin her geçen gün büyümesiyle fosil yakıtların aksine çevreye daha az zarar veren kaynaklara yönelim artmıştır. Bunun aslında temel nedenine bakacak olursak birincisi petrol kaynaklarının sınırlı oluşu ikincisi ise CO₂ emisyonundaki artıştır. Bu amaçla piller, enerjinin üretimi, depolanması ve dönüşümü için önemli rol oynamaktadırlar. Enerji depolama sistemlerinde lityum iyon piller gelecek için önemli rol üstleneceği bilinmektedir.

PİL NEDİR?

Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çeviren elektrokimyasal hücrelere pil denir. Pilin yapısına bakacak olursak iki adet terminali bulunur. Bu terminaller anot ve katot olarak adlandırılır. Anot negatif uç(-) katot ise pozitif(+) uçtur. Anotta yükseltgenme reaksiyonları gerçekleşirken, katotta indirgenme reaksiyonları gerçekleşir. Negatif uç olarak görev yapan katot elektron kaynağıdır. Fakat bu elektronların öncelikle oluşması gerekmektedir. Bunu sağlayan pil bileşeni ise elektrolittir. Elektrolitler, elektrik iletimini sağlayan çözeltilerdir ve içerisindeki iyonların hareketi ile kimyasal tepkime gerçekleşir.

PİLLER KAÇ GRUBA AYRILIR?

Piller, şarj edilebilir ve şarj edilemeyen olarak iki gruba ayrılırlar.

Şarj edilebilir piller, elektrik enerjisini kimyasal enerjiye kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çeviren aygıtlardır ve şarj edilebilir pil türleri şu şekilde sıralanabilir:

• Nikel-Kadmiyum Pilleri
• Nikel-Metal Hidrit (NiMH) Piller
•  Lityum Polimer Piller
• Kurşun- Asit Piller
• Gümüş (I,III) Oksit Piller
• Lityum İyon Piller

Şarj edilemeyen piller ise sadece kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çevirirler ve şarj edilemeyen pil türleri şu şekilde sıralanabilir:

• Çinko-Karbon Piller
• Çinko-Hava Pilleri
• Cıva Oksit Piller
• Alkali-Mangan Piller
• Çinko-Gümüş Oksit Piller

LİTYUM İYON PİLLERİN ÖZELLİKLERİ

Yukarıda belirtildiği gibi Lityum iyon piller şarj edilebilir özelliğe sahiptirler. Bunun yanı sıra yapılan çalışmalarda Lityum iyon pillerin diğer şarj edilebilir piller ile gravimetrik ve volumetrik enerji yoğunlukları kıyaslandığında Lityum iyon pillerin her iki enerji yoğunluğu içinde en yüksek piller olduğu gözlenmiştir. Lityum İyon piller birçok avantaja sahiptir: En önemli özelliklerinden biri hafıza etkisinin düşük oluşudur. Hafıza etkisi, pil hücrelerinde tutması gereken şarj miktarından daha az şarj tutan etkidir ve bu etki Lityum iyon pillerde düşüktür. Kullanılmadıklarında kapasite kaybı göstermezler, yüksek ve geniş voltaj aralığında çalışabilirler. Fakat bunun yanında birçok olumlu etkisinin dışında bazı problemlere de sahiptir. Bunlar şu şekilde açıklanabilir: Üstün özelliklerinden ötürü koruyucu devre ekipmanlarına ve pahalı malzemelere ihtiyaç duyulur. Yüksek sıcaklıklara çıkıldığında termal bozulmanın da etkisiyle kapasitelerinde düşüş gözlenir.

LİTYUM İYON PİL BİLEŞENLERİ

Şekilde gösterildiği gibi lityum iyon pil hücreleri 4 ana bileşenden meydana gelir. İçerdikleri bileşenler aynı olsa da her pili birbirinden ayıran özellik içerdiği anot, katot ve elektrolit de ki farklılıklardır.

KULLANILAN ANOT MALZEMELERİ

Lityum iyon bataryalarda yapılan ilk çalışmalarda anot malzemesi olarak Lityum metali kullanılmıştır. Lityumun üstün özellikleri olmasına rağmen su ile ani tepkiler verebilen bir metaldir. Bu yüzden anot malzemesi olarak Lityum kullanılması güvenirliği açısından kısa sürmüştür. Yapılan çalışmalar sonucunda anot malzemesi olarak grafit kullanılmaya başlamıştır. Lityum metalinin gösterdiği enerji yoğunluğuna kıyasla grafitin enerji yoğunluğu çok düşük kaldığı ve beklentileri karşılamadığı için yeni anot malzemeleri arayışı içine tekrardan girilmiştir. Arayışlar sonucunda Lityum metalinin çeşitli elementlerle yaptığı bileşikler gözlenmiş ve bunların gravimetrik ve volumetrik enerji yoğunluklarının istenilen beklentiyi karşılayacağı görülmüştür.

KULLANILAN KATOT MALZEMELERİ

Lityum İyon pillerde ticari olarak katmanlı, spinel ve olivin yapıda LiMO₂ katot malzemesi kullanılmaktadır ve ilk ticari olarak kullanılan katot materyali katmanlı yapıdaki LiCoO₂ dur. Fakat yapısında bulanan kobalt bileşeni toksik yapıda ve bunun yanı sıra maliyetinin de fazla oluşu ile bunun kullanımı diğer katot materyallerin arkasında kalmıştır.

ELEKTROLİT VE SEPERATÖR

Elektriği ileten sıvı olarak adlandırılan elektrolit bileşenine gelindiğinde çözücü bileşeni olarak etilen karbonat (EC), etil metil karbonat (EMC) , dietil karbonat (DEC), dimetil karbonat ve elektrolit çözeltisi olarak ise LiPF₆, LiBF₄, LiCl, LiBr, Li, LiClO₄ gibi lityum tuzları kullanılmaktadır. Son olarak seperatör bileşeni pozitif ve negatif elektrot arasındaki elektron akışına izin vermeyerek elektrokimyasal hücrede kısa devreyi engellemek için kullanılan bileşendir. Genellikle Propropilen (PP) ve Polietilen (PE) filmler bu bileşende kullanılmaktadır.

LİTYUM İYON PİLLERİN ÇALIŞMA PRENSİBİ

Şarj ve deşarj işlemleri sırasında Li⁺ iyonları katot ve anottan ayrılır. Elektriği ileten bir çözelti vasıtasıyla Li⁺ iyonları göç ederek diğer elektrotun yapısına girer. Akım toplayıcılar sayesinde dış devreden elektron geçişi sağlanır. Şarj olurken pozitif elektrottan Li⁺ iyonları ayrılırken negatif elektrotun yapısına girer. Deşarj sırasında tam tersi işlem gerçekleşir ve Li⁺ iyonları negatif elektrottan ayrılarak pozitif elektrotun yapısına girer. Bu deşarj ve şarj işlemleri sırasında bir takım reaksiyonlar meydana gelir. Bu reaksiyonlar şu şekilde sıralanabilir:

Katot (Pozitif elektrot) :

• Şarj durumunda: LiMO₂ → Li_1-xMO₂ + xLi⁺ + xe^–
• Deşarj durumunda: Li_1-xMO₂ + xLi⁺ + xe^– → LiMO₂

Anot (Negatif elektrot) :   

• Şarj durumunda: C + xLi⁺ + xe^– → Li_xC 
• Deşarj durumunda: Li_xC → C + xLi⁺ + xe^–

Toplam reaksiyon:

• Şarj durumunda: LiMO₂ + C → Li_xC + Li_1-xMO₂
• Deşarj durumunda: Li_xC + Li_1-xMO₂ → LiM

LİTYUM İYON PİLLERİN KULLANIM ALANLARI

• Telekomünikasyon alanında
• Savunma sanayi ve iletişim cihazlarında
• Radarlarda
• Ölçüm cihazlarında
• Elektrikli araçlarda
• Diz üstü bilgisayarlar ve tabletlerde
• Küçük ev aletlerinde
• Medikal uygulamalarda kullanılmaktadır.

Mühendislik kategorisindeki diğer içerikleri de okumanızı tavsiye ederiz!