Piller Günlük hayatta hemen herkes tarafından yaygın olarak kullanılan ve hayatı kolaylaştıran araçlardır. Taşınabilir güç pilleriyle ilgili tek sorun, çoğu pilin çok çabuk bitmesi ve şarj edilemezlerse kullanımdan sonra atılmasıdır. Her yıl dünya çapında milyarlarca tek kullanımlık pil çöpe atıldığı için bu çevre ve bütçe için kötü. Şarj edilebilir piller bu sorunu çözmeye yardımcı olurken, lityum-iyon adı verilen bir teknoloji kullanılarak üretilirler ve lityum-iyon piller veya lityum-iyon piller olarak adlandırılırlar.
Cep telefonlarının, dizüstü bilgisayarların ve MP3 çalarların çoğu muhtemelen lityum iyon piller kullanır. 1991’den beri yaygın olarak kullanılan lityum piller, kimyasal olarak ilk kez 1912’de Amerikalı kimyager Gilbert Lewis (1875-1946) tarafından keşfedildi. Bu makale, lityum pillerin standart pillerle karşılaştırılması, avantajları ve nasıl çalıştıkları hakkında bilgiler içermektedir.
İçindekiler
Normal pillerin sorunu nedir?
Piller, basit bir şekilde küçük bir metal kutuda gerçekleşen kimyasal bir deneydir. Kimyasal reaksiyonlar, el feneri gibi bir alet pilin iki ucunu birbirine bağladığında başlarken, pilin içindeki kimyasallar yavaş ama düzenli bir şekilde parçalanıp diğer kimyasalları oluşturmak üzere birleşerek iyon adı verilen pozitif yüklü parçacıklar ve negatif yüklü elektronlardan oluşan bir akım oluşturur. İyonlar pilin içinde hareket eder; Elektronlar, pilin bağlı olduğu devreden geçerek elektrik enerjisi sağlar ve sonuç olarak bu el feneri çalışır. Tek sorun, bu kimyasal reaksiyonun yalnızca bir kez ve yalnızca bir yönde gerçekleşebilmesidir: bu nedenle sıradan piller genellikle yeniden şarj edilemez.
Şarj edilebilir piller ve geri dönüşümlü reaksiyonlar
Şarj edilebilir pillerde farklı kimyasallar kullanılır ve çok farklı reaksiyonlarla ayrıştırılırlar. En büyük fark, şarj edilebilir bir pildeki kimyasal reaksiyonların tersine çevrilebilir olmasıdır. Böylece pil boşaldıkça reaksiyonlar tek yönde gider ve pil enerji tasarrufu sağlar. Pil şarj olurken reaksiyonlar ters yönde hareket eder ve pil enerjiyi emer. Bu kimyasal reaksiyonlar her iki yönde yüzlerce kez meydana gelebilir, bu nedenle şarj edilebilir bir pil tipik olarak üç ila 10 yıl arasında bir ömür sağlar. Elbette pil ömrü, kalitesine, ne sıklıkta kullanıldığına ve düzgün şarj edilip edilmediğine bağlı olarak değişir.
Lityum iyon piller nasıl çalışır?
Diğer tüm piller gibi, şarj edilebilir bir lityum-iyon pil de hücre adı verilen bir veya daha fazla enerji üreten bölmeden oluşur. Her hücrenin temel olarak üç bileşeni vardır: pozitif elektrot (pilin pozitif veya + terminaline bağlı), negatif elektrot (negatif veya – terminale bağlı) ve bunların arasında elektrolit adı verilen bir kimyasal bulunur. Anot genellikle lityum kobalt oksit (LiCoO2) veya daha yeni pillerde lityum demir fosfat (LiFePO4) adı verilen kimyasal bir bileşikten yapılır. Negatif elektrot genellikle karbondan (grafit) yapılır ve elektrolit bir pil türünden diğerine değişir, ancak bir pilin nasıl çalıştığına dair temel fikrin anlaşılmasında önemli değildir.
Tüm lityum iyon piller genellikle aynı şekilde çalışır. Pili şarj ederken, lityum-kobalt oksit, pozitif elektrottan, elektrolitten negatif elektrota ve grafite hareket eden ve orada kalan bazı lityum iyonlarını serbest bırakır. Pil bu işlem sırasında enerji alır ve depolar. Pil boşalırken, lityum iyonları elektrolit yoluyla pozitif elektrota geri dönerek pili çalıştıran enerjiyi üretir. Her iki durumda da elektronlar, dış devre etrafındaki iyonlara ters yönde akar. Elektronlar elektrolit içinden akmaz: Elektronlar söz konusu olduğunda, elektrolit etkili bir şekilde yalıtkan bir bariyerdir.
İyonların (elektrolit boyunca) ve elektronların (dış devre etrafında, ters yönde) hareketi birbirine bağlı süreçlerdir ve biri durursa diğeri de durur. Pil tamamen boş olduğu için iyonların elektrolit içindeki hareketi durursa, elektronlar da dış devreden geçemez; Böylece gücünü kaybeder. Aynı şekilde, pil gücünden bağımsız olarak kapatırsanız, elektronların akışı duracak ve iyonların akışı da duracaktır. Pil temel olarak yüksek oranda boşalmayı durdurur (ancak cihazın fişi çekilse bile çok yavaş bir oranda boşalmaya devam eder).
Daha basit pillerin aksine, lityum-iyon piller, şarj etme ve boşaltma şeklini düzenleyen elektronik kontrol birimleri içerir. Bazı durumlarda lityum iyon pillerin patlamasına neden olabilen aşırı şarjı ve aşırı ısınmayı önlerler.
Lityum iyon pil nasıl şarj edilir ve boşalır?
Adından da anlaşılacağı gibi, lityum iyon piller, lityum iyonlarının hareketi etrafında döner. Pil şarj olurken (enerjiyi emerken), iyonlar bir yönde hareket eder; Pil boşaldığında ters yönde hareket eder (enerji tasarrufu). Lityum iyon pillerin şarj edilme aşaması şu şekildedir;
• Şarj sırasında, lityum iyonları (sarı daireler) elektrolit (gri) üzerinden pozitif elektrottan (kırmızı) negatif elektrota (mavi) doğru akar. Elektronlar da pozitif elektrottan negatif elektrota akar, ancak dış devre etrafında daha uzun bir yol alırlar. Elektronlar ve iyonlar negatif elektrotta birleşir ve lityum burada birikir.
• Daha fazla iyon akışı kalmadığında pil tamamen şarj olmuştur ve kullanıma hazırdır.
• Deşarj sırasında, iyonlar elektrolit boyunca negatif elektrottan pozitif elektrota geri akar. Elektronlar, negatif elektrottan pozitif elektrota harici devre yoluyla akar ve dizüstü bilgisayara güç sağlar. İyonlar ve elektronlar anotta birleştiğinde, orada lityum oluşur.
• Tüm iyonlar geriye doğru hareket ettiğinde pil tamamen boştur ve yeniden şarj edilmesi gerekir.
Lityum iyon pillerin avantajları
Genel olarak, lityum-iyon (“Nicad” NiCd olarak telaffuz edilir) piller, nikel-kadmiyum gibi eski teknolojilerden daha güvenilirdir ve NiCad piller güçlü bir hafıza etkisine sahip olduğundan, kullanım sırasında yeniden şarj edilmeden önce tamamen boşalabilirler. Lityum-iyon piller ayrıca kadmiyum (zehirli bir ağır metal) içermediklerinden çevre dostudur. Ağır hizmet şarj edilebilir pillerle (arabaları çalıştırmak için kullanılan kurşun asitli piller gibi) karşılaştırıldığında, lityum iyon piller depoladıkları enerji miktarı açısından nispeten hafiftir.
Lityum iyon pillerin dezavantajları
Lityum-iyon pillerin dezavantajları da her şeyden önce karşılaştırılabilecekleri ile birlikte düşünülmelidir. Örneğin otomobillerde enerji kaynağı olarak kullanılacaksa diğer pil türleri ile değil benzin ile kıyaslanması gerekir. Yıllar içinde kaydedilen önemli ilerlemelere rağmen, şarj edilebilir piller hala normal gaz enerjisinin yalnızca bir kısmını depolamaktadır. Daha bilimsel bir ifadeyle, çok daha düşük bir enerji yoğunluğuna sahiptirler (birim ağırlık başına daha az enerji depolarlar). Bu aynı zamanda gazla çalışan bir arabayı neden birkaç dakika içinde tamamen şarj edebildiğini (yakıt ikmali yapabildiğini) açıklıyor. Çünkü bu, elektrikli bir araçta pilleri kullanmak için yapmanız gereken normalde saatlerce süren bir işlemdir. Elektrikli arabaların bu dezavantajları, yakıt ekonomisi ve nispeten hava kirliliği olmaması (aracın kendisinden egzoz/emisyon olmaması) gibi diğer avantajlarla dengelediğine dikkat edilmelidir.
Araçlarda kullanılan lityum iyon pillerin kusurları genel olarak incelendiğinde aşağıdaki gibi tespit edilebilir. Her şeyden önce, en büyük endişe güvenliktir, çünkü lityum iyon piller aşırı şarj edilirse veya dahili bir arıza kısa devreye neden olursa alev alabilir. Yani her iki durumda da, piller termal kaçak adı verilen bir şekilde ısınır ve sonunda tutuşur veya patlar. Bu sorun, piller çok ısındığında veya iç basınçları çok yükseldiğinde voltaj maksimuma ulaştığında şarj akımını kesen, akım kesme cihazı veya CID olarak bilinen yerleşik bir devre kesici ile çözülür. Bununla birlikte, endişeler devam etmektedir ve 2016 yılında Uluslararası Sivil Havacılık Örgütü, potansiyel riskler nedeniyle yolcu uçaklarında lityum iyon pillerin sevkiyatını resmi olarak yasaklamıştır.
Teknolojinin ne kadar yaygın olduğu göz önüne alındığında, her yeni model cep telefonu, dizüstü bilgisayar, tablet ve diğer birçok şarj edilebilir cihazda lityum iyon pillerin kullanıldığı görülmektedir. Bu nedenle alternatiflerin risklerini göz önünde bulundurmak önemlidir. Elektrikli arabalardaki lityum-iyon piller alev alabilir, ancak benzinli arabalar daha sık alev alır ve patlamalara neden olur! Ancak bu tutuşma tehlikesi, diğer pil türlerinin de aşırı ısındığında tutuşup patlayabilmesi nedeniyle lityum iyon teknolojisi ile sınırlı değildir.
Peki bunun çözümü nedir? Umut verici bir seçenek, şu anda Ionic Materials adlı bir şirket tarafından yönetilen bir çözüm, tipik olarak lityum iyon pillerde kullanılan yanıcı sıvı elektrolitler yerine alev geciktirici polimerler (katı plastikler) kullanmaktır. Lityum-iyon pillerin arkasındaki kimyager John Goodenough tarafından tercih edilen bir başka seçenek de elektrolit için katkılı cam (elektriksel olarak iletken hale getirmek için işlenmiş) kullanmaktır. Bu seçeneklerden birinin veya tamamen yeni bir güç kaynağının şarj edilebilir lityum-iyon pillerin yerini alıp almayacağını yalnızca zaman gösterecek.
Lityum iyon pilleri kim icat etti?
Oxford Üniversitesi’nden kimyagerler John Godino ve meslektaşları Phil Weissmann, Koichi Mizushima ve Phil Jones, 1970’lerde kullanışlı ve kullanışlı lityum-iyon güç kaynaklarına öncülük ettiler. Araştırması 1980 yılında yayınlandı ve 1990’ların başında ilk lityum-iyon pilleri üreten Sony tarafından ticari bir teknolojiye dönüştürüldü. O zamandan beri popüler ve her yerde bulunur hale geldi.2013’te bir Bloomberg haber raporuna göre, çoğu Çin’de olmak üzere her yıl yaklaşık 5 milyar lityum-iyon pil üretiliyor.
Lityum-iyon pil teknolojisinin üç öncüsü John Godino, M Stanley Whittingham ve Akira Yoshino, bu öncü pil teknolojisindeki çalışmalarından dolayı 2019 Nobel Kimya Ödülü’ne layık görüldü. Tüm bilim adamları gibi, araştırmaları daha önceki keşiflere kadar uzanabilir. Bu durumda, Amerikalı kimyager Gilbert Lewis’ten ve 20. yüzyılın başlarında lityumun elektrokimyası üzerine yaptığı araştırmadan da haberdar olunmalıdır.
Lityum iyon pilin geleceği
Günümüzün şarj edilebilir lityum-iyon pilleri, ilk piyasaya sürüldüklerinde sahip oldukları avantajların çoğuna sahiptir. Ancak yine de etkili çözümler arayan termal kaçak gibi sinir bozucu eksikliklerden muzdarip. Bu arada, iklim değişikliğinin hızı, daha hızlı şarj olan ve daha küçük alanlarda daha fazla enerji depolayan daha ucuz, daha güvenli, enerji açısından daha verimli ve çevre dostu pillere olan ihtiyacı artırıyor. Karbon nanotüpler gibi diğer nanomalzemelerden yapılan piller de çok yakın gelecekte bilgisayarlarda veya akıllı telefonlarda kullanılabilir.
kaynak:
https://www.fluxpower.com/blog/how-does-a-lithium-ion-battery-work
yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu
Diğer gönderilerimize göz at
[wpcin-random-posts]