Lityum İyon Pil (Li-ion) Nedir?

Bu yazımızda lityum iyon pili açıklayarak nasıl çalıştığından bahsedeceğiz. Lityum iyon piller, deşarj olduktan sonra tekrar şarj edilerek kullanılan elektrokimyasal hücrelerdir. Ayrıca ikincil pil yani tekrar tekrar şarj edilebilir piller olarak karşımıza çıkmaktadır. Taşınabilir elektrik ve elektronik cihazlara artan talep ve elektrikli arabaların gelişmesiyle hızla değeri artmaktadır. Şimdi lityum iyon pillerin detayına girelim.

Lityum İyon Pil’in Ortaya Çıkışı

Yapılan araştırmalara göre petrol türevli çoğu araç için lazım olan enerjinin depolanmasında lityum iyon pillerin kullanılması uygun olacağı belirtildikten sonra hızla bu piller hakkında çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalar sırasında 1970’li yıllarda lityum metalinin enerji uygulamalarında bir çeşit avantajları olduğu bulundu. Ardından Exxon şirketi ilk kez TiS2 yapısında katot üreterek (lityum metali anot olarak kullanıldı) lityum pilini üretmiştir.

Önerilen Yazı » Yakıt Pili (Hücresi) Nedir? Nasıl Çalışır?

1980’li yıllarda ise  katmanlı yapıdaki sülfürlü katot malzemelerinin tekrar tekrar kullanımının kararlı olmadığı bulunmuş, metal oksitlerin katot olarak kullanılması düşünülmüştür. 1991 yılına gelindiğinde ise Sony ilk ticari Lityum iyon pilini üretmiştir. LiCoO2’in katot, karbonun anot olarak kullanıldığı bu hücrelerde 3,6 V üstünde gerilim elde edilmiştir. Ayrıca uzun süreli tekrar kullanıma uygun olduğu da görülmüştür.

Daha sonraki yıllarda pil teknolojisinde rekabet hızla artmış ve özellikle pillerin çevrim ömürleri (şarj-deşarj çevrimi), spesifik enerjileri, hacimsel enerji yoğunlukları, güvenlikleri ve yüksek sıcaklıklarda kararlı yapıları üzerinde gerçekleştirilen geliştirme çabaları hız kazanmıştır. Alt tarafta Lityum iyon pillerin, gümüş-çinko, nikel-çinko, nikel-hidrojen gibi ikincil pillerle karşılaştırıldıklarında sergiledikleri avantaj ve dezavantajlar sıralanmıştır.

Lityum İyon Pillerin Avantajları

• Kapalı hücre, bakım gerektirmemesi
• Uzun ömürlü
• Geniş çalışma sıcaklık aralığı
• Uzun raf ömrü
• Çabuk şarj olabilme kabiliyeti
• Yüksek güçlü deşarj kapasitesi
• Yüksek enerji verimi
• Yüksek spesifik enerji ve enerji yoğunluğu
• Hafıza etkisinin olmayışı

Lityum İyon Pillerin Dezavantajları

• Fiyatı
• Yüksek sıcaklıklarda bozunması
• Koruyucu devre ihtiyacının oluşu
• Aşırı şarj sonucunda kapasite kaybı veya termal
• Bozunma

Lityum İyon Pil Nasıl Çalışır?

Tekrar şarj edilebilen lityum iyon pillerde, hücreler diğer pil sistemlerinde olduğu gibi enerjiyi üretmek ve depolamaktan birincil derece sorumlu üç ana bileşenden oluşmaktadır. Bunlar anot, katot ve elektrolit olarak sıralanabilir. Anot malzeme negatif elektrot, katot ise pozitif elektrot olarak görev alır. Pozitif elektrotlar genelde tünel veya tabakalı yapılara sahip metal oksitlerden (LiMOx) oluşurlar.

Negatif elektrot malzemelerde tabakalı yapılara sahiplerdir. Bu yapılar sayesinde hücrenin/pilin şarjı ve deşarjı esnasında Li iyonları pozitif ve negatif elektrotları arasında karşılıklı olarak yer değiştirebilmektedir. Bu yer değiştirme (topotaktik) reaksiyonu olarak tanımlanır. Bu reaksiyonda aktif malzemeler anot ve katot olup lityum için ev sahipliği görevini görürler lityum ise misafir olarak bir elektrottan diğerine yer değiştirir. Alt taraftaki şekilde, lityumiyon hücresi ve negatif ve pozitif elektrotlarda oluşan reaksiyonlar verilmiştir.

Önerilen Yazı » Piller ve Şarj Edilebilir Piller

Hücrede katot ve anot reaksiyonların oluşması için elektrot malzemelerinin elektrik iletkenliği sağlanmalıdır. Bu amaçla, elektrot malzemeleri yüksek iletken metal folyolar üzerine lamine edilir veya folyo üzerine biriktirilir. Folyoların üzerindeki elektrotlar arasında gerçekleşmesi muhtemel kısa devreyi önlemek için mikro gözenekli seperatörler ve iletkenliği sağlamak için sıvı/jel/ katı elektrolitler kullanılarak hücre içerisinde lityum iyonlarının yer değiştirmesi sağlanır

Tekrar şarj edilebilir lityum iyon pillerde verim, kapasite ile belirlenir. Hücrede aktif olan malzeme miktarı ile belirlenen kapasite, tam olarak şarj edilmiş bir pilden belirli deşarj koşulları altında elde edilen toplam amper saat (Ah) olarak tanımlanır. Aktif bir gram eş değer malzeme 96500 C yük veya 26,8Ah teorik kapasiteye sahiptir. Ticari anlamlılığa sahip bir lityum pilin yalnızca güvenli ve uzun ömürlü olması değil yüksek kapasitelerde hizmet vermesi de beklenmektedir.