Piller; günlük yaşam içinde hemen hemen herkes tarafından yoğun olarak kullanılan ve hayatı kolaylaştıran araçlardır. Taşınabilir elektrik enerjisi sağlayan pillerde tek sorun, çoğu pilin çok çabuk bitmesi ve şarj edilebilir değilse kullanıldıktan sonra atılmasıdır. Bu durum hem çevre hem de bütçe açısından kötüdür ve dünya çapında her yıl milyarlarca tek kullanımlık pili çöpe atılmaktadır. Şarj edilebilir piller bu sorunu çözmeye yardımcı olurken lityum iyon denen bir teknolojiyi kullanılarak üretilirler ve li-ion veya lityum iyon piller olarak anılırlar.
Cep telefonu, dizüstü bilgisayar ve MP3 çalarlaın çoğu muhtemelen hepsi lityum iyon pil kullanır. 1991’den beri yaygın olarak kullanılmakta olan lityum piller kimyasal olarak ilk defa 1912’de Amerikalı kimyager Gilbert Lewis (1875–1946) tarafından keşfedilmişlerdir. Bu yazıda Lityum pillerin standart pillerle karşılaştırması, avantajları ve çalışma mekanizması hakkında bilgiler bulunmaktadır.
Sıradan Pillerle İlgili Sorun Nedir?
Piller kısaca küçük bir metal kutuda gerçekleşen kimyasal bir deney niteliğindedir. Bir pilin iki ucunu bir el feneri gibi bir araç bağlandığında kimyasal reaksiyonlar başlarken, pilin içindeki kimyasallar yavaş ama sistematik olarak parçalanır ve diğer kimyasalları yapmak için bir araya gelerek iyonlar ve negatif yüklü elektronlar adı verilen bir pozitif yüklü parçacık akışı üretir . İyonlar pilin içinde hareket eder; elektronlar, pilin bağlı olduğu devreden geçerek elektrik enerjisi sağlar ve sonuç olarak bu el fenerini çalıştırır. Tek sorun, bu kimyasal reaksiyonun yalnızca bir kez ve yalnızca bir yönde gerçekleşebilmesidir: Bu nedenle sıradan piller genellikle yeniden şarj edilemezler.
Şarj Edilebilir Piller ve Tersine Çevrilebilir Reaksiyonlar
Şarj edilebilir pillerde farklı kimyasallar kullanılır ve bunlar tamamen farklı reaksiyonlarla ayrılır. Büyük fark, şarj edilebilir bir pildeki kimyasal tepkimelerin tersine çevrilebilir olmasıdır. Böylelikle pil boşalırken tepkimeler bir yöne gider ve pil güç verir. Pil şarj olurken reaksiyonlar ters yönde ilerler ve pil gücü emer. Bu kimyasal reaksiyonlar her iki yönde de yüzlerce kez gerçekleşebilir, bu nedenle şarj edilebilir bir pil tipik olarak üç ila 10 yıllık bir kullanım ömrü sağlar. Tabi ki ömrü pilin, kalitesine, ne sıklıkta kullanıldığına ve doğru şarj edilip edilmediğine bağlı olarak değişiklik göstermektedir.
Lityum İyon Piller Nasıl Çalışır?
Diğer tüm piller gibi, şarj edilebilir bir lityum iyon pil de hücre adı verilen bir veya daha fazla güç üreten bölmeden oluşur. Her hücrenin esas olarak üç bileşeni vardır: bir pozitif elektrot (pilin pozitif veya + terminaline bağlı), bir negatif elektrot (negatif veya – terminaline bağlı) ve bunların arasında elektrolit adı verilen bir kimyasal bulunur. Pozitif elektrot tipik olarak lityum-kobalt oksit (LiCoO 2) adı verilen bir kimyasal bileşikten veya daha yeni pillerde lityum demir fosfattan (LiFePO 4) yapılır.) oluşmaktadır. Negatif elektrot genellikle karbondan (grafit) yapılır ve elektrolit bir pil türünden diğerine değişir, ancak pilin nasıl çalıştığına dair temel fikri anlamada çok önemli değildir.
Tüm lityum iyon piller genel olarak aynı şekilde çalışır. Pil şarj olurken, lityum-kobalt oksit, pozitif elektrot, elektrolit üzerinden negatif, grafit elektrota hareket eden ve orada kalan lityum iyonlarının bir kısmını bırakır. Pil bu işlem sırasında enerjiyi alır ve depolar. Pil boşalırken, lityum iyonları elektrolit üzerinden pozitif elektrota geri dönerek pile güç sağlayan enerjiyi üretir. Her iki durumda da elektronlar, dış devre etrafındaki iyonlara zıt yönde akar. Elektronlar elektrolit içinden akmazlar: Elektronlar söz konusu olduğunda, elektrolit etkili bir şekilde yalıtkan bir bariyerdir.
İyonların (elektrolit yoluyla) ve elektronların (harici devre etrafında, ters yönde) hareketi birbirine bağlı süreçlerdir ve biri durursa diğeri de durur. Pil tamamen boşaldığı için iyonlar elektrolit içinde hareket etmeyi bırakırsa, elektronlar da dış devreden geçemez; bu nedenle gücünü kaybeder. Benzer şekilde, pilin gücü ne olursa olsun kapatırsanız, elektron akışı durur ve iyon akışı da durur. Pil, esasen yüksek bir hızda boşalmayı durdurur (ancak cihazın bağlantısı kesilse bile çok yavaş bir hızda boşalmaya devam eder).
Daha basit pillerin aksine, lityum iyon piller, nasıl şarj ve deşarj olduklarını düzenleyen elektronik kontrolörlere sahiptir. Bazı durumlarda lityum iyon pillerin patlamasına neden olabilecek aşırı şarj ve aşırı ısınmayı önlerler.
Lityum İyon Pil Nasıl Şarj Olur ve Boşalır?
Adından da anlaşılacağı gibi, lityum iyon piller tamamen lityum iyonlarının hareketi ile ilgilidir. Pil şarj olurken (güç emerken) iyonlar bir yönde hareket eder; pil boşaldığında (güç sağlarken) ters yönde hareket ederler. Lityum iyon pillerin şarj olma aşaması şu şekildedir;
• Şarj sırasında, lityum iyonları (sarı daireler) elektrolit (gri) üzerinden pozitif elektrottan (kırmızı) negatif elektrota (mavi) akar. Elektronlar ayrıca pozitif elektrottan negatif elektrota akar, ancak dış devre etrafında daha uzun bir yol alırlar. Elektronlar ve iyonlar negatif elektrotta birleşir ve orada lityum biriktirir.
• Daha fazla iyon akmadığında, pil tamamen şarj olmuş ve kullanıma hazırdır.
• Boşaltma sırasında iyonlar elektrolit üzerinden negatif elektrottan pozitif elektrota geri akar. Elektronlar, dış devre yoluyla negatif elektrottan pozitif elektrota akar ve dizüstü bilgisayarınıza güç sağlar. İyonlar ve elektronlar pozitif elektrotta birleştiğinde, orada lityum birikir.
• Tüm iyonlar geri hareket ettiğinde pil tamamen boşalır ve yeniden şarj edilmesi gerekir.
Lityum İyon Pillerin Avantajları
Genellikle, lityum iyon piller, (“Nicad” telaffuz NiCd) nikel kadmiyum gibi eski teknolojilere göre daha güvenilir ve NiCad pillerin bellek etkisi güçlü olduğu için kullanım esnasında yeni şarz yüklemeden önce tamamen boşalabilirler. Lityum iyon piller kadmiyum (zehirli, ağır bir metal) içermediğinden aynı zamanda daha fazla çevre dostudurlar. Ağır hizmet tipi şarj edilebilir pillerle (arabaları çalıştırmak için kullanılan kurşun asitli piller gibi) karşılaştırıldığında, lityum iyon piller depoladıkları enerji miktarına göre nispeten hafiftir.
Lityum İyon Pillerin Dezavantajları
Lityum iyon pillerin dezavantajları de öncelikle ne ile karşılaştırılacağı göz önüne alınmalıdır. Mesela otomobiller için bir güç kaynağı olarak kullanılacaksa, diğer akü türleriyle değil, benzinle karşılaştırmak gerekmektedir. Yıllar içinde kayda değer ilerlemelere rağmen, şarj edilebilir piller hala sıradan gazın yalnızca çok küçük bir kısmını enerji depola. Daha bilimsel bir deyişle, çok daha düşük bir enerji yoğunluğuna sahiptirler (birim ağırlık başına daha az enerji depolarlar). Bu aynı zamanda, gazla çalışan bir otomobili neden birkaç dakika içinde tamamen şarj edebileceğini (yakıt ikmali yapabileceği) de açıklamaktadır. Oysa bu genellikle saatlerce süren bir işlemdir ve aküleri elektrikli bir arabada kullanmak için yapılması gerekir. Bu dezavantajlar elektrikli arabaların daha yüksek yakıt ekonomisi ve görece hava kirliliği eksikliği ( aracın kendisinden sıfır egzoz borusu/egzoz emisyonu) gibi diğer avantajlarla dengelediği unutulmamalıdır.
Araçlarda kullanılan lityum iyon piller bir kenara bırakıp daha genel olarak incelendiğinde dezavantajları şu şekilde tanımlanabilir. Öncelikle en büyük sorun güvenliktir, çünkü lityum iyon piller aşırı şarj edilirse veya dahili bir arıza kısa devreye neden olursa alev alır. Böyylelikle her iki durumda da, piller termal kaçak olarak adlandırılan bir şekilde ısınır ve sonunda alev alır veya patlar. Bu sorun, piller çok ısındığında veya iç basınçları çok yükseldiğinde voltaj maksimuma ulaştığında şarj akımını kesen, akım kesme aygıtı veya CID olarak bilinen yerleşik bir devre kesici ile çözülür. Ancak bu konudaki endişeler devam etmektedir ve 2016’da Uluslararası Sivil Havacılık Örgütü, potansiyel tehlike nedeniyle yolcu uçaklarında lityum iyon pillerin sevkiyatını resmen yasaklamıştır.
Teknolojinin ne kadar yaygın olduğu düşünüldüğünde her yeni model cep telefonunda, dizüstü bilgisayarda, tablette ve diğer birçok şarj edilebilir cihazda lityum iyon piller kullanıldığı görülebilir. Bu yüzden alternatiflerin risklerini akılda tutmak önemlidir. Elektrikli arabalardaki lityum iyon piller alev alabilir, ancak benzinle çalışan otomobiller çok daha sık alev alır ve patlamalara neden olur! Ancak diğer pil türleri de aşırı ısındıklarında alev alabilir ve patlayabildiği gerçeği göz önüne alındığında, bu alev alma riski sadece lityum iyon teknolojisine özgü bir sorun değildir.
Peki bu konuda çözüm nedir? Çözüm şu anda Ionic Materials adlı bir şirketin öncülük ettiği umut verici bir seçenek, normalde lityum iyon pillerde kullanılan yanıcı sıvı elektrolitler yerine aleve dayanıklı polimerler (katı plastikler ) kullanmaktır. Lityum iyon pillerin arkasındaki kimyager olan John Goodenough tarafından tercih edilen bir başka seçenek, elektrolit için katkılı cam (elektriksel olarak iletken hale getirmek için işlenmiş) kullanmaktır. Bu seçeneklerden birinin mi yoksa tamamen yeni bir enerji kaynağının mı şarj edilebilir lityum iyon pilleri yerinden edeceğini ise sadece zaman gösterebilir.
Lityum İyon Pilleri Kim İcat Etti?
Kullanışlı, yararlı lityum-iyon güç paketlerine 1970’lerde Oxford Üniversitesi’nde kimyager John Goodenough ve meslektaşları Phil Wiseman, Koichi Mizushima ve Phil Jones tarafından öncülük edilmiştir. Araştırmaları 1980 yılında yayınlanmış ve 1990’ların başında ilk lityum iyon pilleri üreten Sony tarafından ticari bir teknolojiye dönüştürülmüştür. O zamandan beri sıradan hale gelip her alanda kullanılabilir olmuşlardır 2013’teki bir Bloomberg haber raporuna göre, çoğu Çin’de olmak kaydı ile ve her yıl yaklaşık 5 milyar lityum iyon pil üretilmektedir.
Lityum iyon pil teknolojisinin üç öncüsü, John Goodenough, M. Stanley Whittingham ve Akira Yoshino çığır açan bu pil teknoloji ile ilgili çalışmalarla 2019 Nobel Kimya Ödülü’nü paylaşmışlardır. Tüm bilim adamları gibi, araştırmaları da daha önceki keşiflere kadar uzanabilir. Bu durumda, Amerikalı kimyager Gilbert Lewis’ten ve 20. yüzyılın başlarında lityumun elektrokimyası üzerine yaptığı araştırmaların da bilinmesi gerekir.
Lityum İyon Pil Geleceği
Günümüzün lityum-iyon şarj edilebilir pilleri, ilk çıktığı döneme göre birçok avantaja sahiptir. Ancak hala etkili çözümler arayan termal kaçak gibi sinir bozucu dezavantajları vardır. Bu arada, iklim değişikliğinin hızının artması ile daha hızlı şarj olan ve daha da küçük alanlara daha fazla enerji depolayan daha ucuz, daha güvenli, daha enerji yoğun ve çevre dostu pillere olan ihtiyacı hızlandırıyor artmaktadır. Piller, karbon nanotüpler gibi diğer son teknoloji nano malzemelerden yapılmış olanlar, çok yakın bir gelecekte bilgisayarlara veya akıllı telefonlarda da kullanılabilir olabilir.
Kaynakça:
https://www.cei.washington.edu/education/science-of-solar/battery-technology/ https://www.energy.gov/eere/articles/how-does-lithium-ion-battery-work https://www.fluxpower.com/blog/how-does-a-lithium-ion-battery-work
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu