lityum

 

Bir kimyager değil sadece bir elektronik mühendisi perspektifi ile pillerin en temel çalışma prensibinden kısaca bahsetmek iyi olacaktır. Bir bataryanın en temel elemanı elektrokimyasal hücreleridir.  Her bir hücre iki elektrottan ve bu elektrotların bağlanıldığı galvanik ve elektrolitik çözeltilerden oluşur. Elektrolit çözelti iyon halindeki atomların bulunduğu bir çözeltidir ve bu çözeltide yüklü atomlar bulunur(elektronu az ve ya fazla). Elektrolit ve galvanik, sıvı ya da katı halde olabilir.  Galvanik çözeltide ise aktif metal gibi iyonlarına ayrılma meylinde olan moleküller vardır. Fakat normalde nötr moleküllerdir.  Şimdi siz bu yapıyı bir tuz köprüsü barındıracak şekilde iletken bir tel ile birbirine bağlarsanız; elektrolit çözeltideki iyon halindeki atomlar potansiyel fark oluşumuna sebep olacaktır.  Çünkü yüklü bir atomun eğer elektronu fazla ise(- yüklü)  elektronları itme eğilimi, elektronu az ise(+ yüklü) elektronu çekme eğilimi vardır.  Bu sayede galvanik çözeltideki nötr moleküller iyonlaşır, elektrolit çözeltideki iyonlar ise tuz köprüsündeki atomlarla nötr moleküller haline gelir.   Eğer siz bu yapılara dışarıdan düzgün bir voltaj farkı uygularsanız bu işlemin tam tersi gerçekleşecektir. Yani böylelikle hücreyi şarj etmiş olacaksınız.

ElectrochemCell

Lityum iyon piller bu günlerde çokça yaygın olarak kullanılıyor. Bu pilleri bir çok elektronik üründe görmeniz mümkündür. Laptoplarda, telefonlarda, ıpodlarda, ve her türlü hobi elektronik cihazlar da…  Lityum iyon bataryaları bu kadar ünlü yapan şey tabi ki ağırlıklarına ve büyüklüklerine oranla verebildikleri yüksek enerji ile en iyi pil çeşitlerinden biri olmasıdır. Bir diğer önemli etken ise hafıza etkilerinin olmamasıdır.  Yani lityum iyon piller için şarjın yarıda kesilmesi yahut pil yarı dolu iken şarj edilmeye başlanması sorun teşkil etmez.  Fakat lityum iyon piller çabucak yanabilir ve patlayabilirler. Bu sebeple bu pilin piyasaya sürülüm aşamasında binlerce sorun yaşanmıştır. 

lithium-ion-battery-5

Fakat asıl önemli sorular; bu pilleri bu kadar enerjik ve kullanışlı yapan nedir?  Neden bu kadar çabuk  patlayabilirler?  Ya da bu problemi önlemenin yolları var mıdır?   Bu sorulara bir elektronik mühendisi olarak cevap vermeye çalışacağım.

Lityum iyon pillerin elektrotları çok hafif olan lityum ve karbondan yapılmıştır.  Lityum elementi aynı zamanda reaktif bir malzemedir.  Bunun anlamı şudur; lityum atomu, atom bağları arasında çok fazla enerji tutar.  Tabi ki bu enerji, elektrotlar arasında elektrik enerjisine çevrilir. Tipik bir lityum iyon batarya, kilogram başına saatlik 150 watt elektrik enerjisi depolayabilir.  Buna karşılık 1 kilogram Nikel piller(Nickel-Metal Hybride) saatlik 100 watt elektrik enerjisi depolayabilir. Hatta nikel pillerin piyasadaki sürümleri kilogram başına saatlik 60-70 watt elektrik enerjisine sahiplerdir diyebiliriz.  Bir de en amele olan Kurşun-Asit piller vardır. Bunlar ise kilogram başına saatlik 25 watt lık enerji depolayabilir. Sketch-LiIon

Lityum iyon piller ısıya çok duyarlıdırlar. Yanma ve ya patlama olasılıkları ısındıklarında artar. Maalesef bu dezavantajının bir çözümü yoktur. Ayrıca önemli bir başka husus ise lityum iyon pillerin paketleri yırtılır ya da hava ile temas ederse pil alev alır. Aynı zamanda eğer tamamen boşalırlarsa tekrar kullanılamazlar. Yani mahvolurlar.  Lityum iyon bataryaların fabrikasyonunun ardından en fazla 3 yıl ömürleri vardır. Hiç kullanılmasalar bile bu ömürlerinden yerler. Bir lityum iyon batarya her ay kendi şarj miktarının %5 ini kaybeder.  Bir nikel pile kıyasla düşük bir değerdir. Nikel piller her ay %20 şarj kaybederler.

 Bu pillerde hafıza etkisi yoktur ve kullanılmadıkları zamanlardaki enerji kayıpları yavaştır. Uygunsuz kullanılmaları halinde tehlikeli olabilirler. Eğer gerekli önlemler alınmaz ise diğer pil türlerine göre ömürleri daha kısa olabilir. Daha gelişmiş lityum iyon pil tasarımları ise lityum polimer pil (lithium polymer cell) ve lityum titanat pil hücreleridir.

tech-polymer

Lityum Polimer ve Lityum iyon piller arasındaki fark nedir? Diye bir soru soracak olursanız;  araştırmalarım sonucu aralarındaki fark; separator lerin yani ayıraçların farklı materyalden ve farklı uzanımlarda olmasıdır diyebilirim. Lityum iyon pillerdeki ayıraçlarda kullanılan atıl madde yerine  lityum polimer pillerde seperator ler yani ayıraçlar mikro gözenekli polimerlerden yapılmıştır.  Polimer seperator yani ayıraçlar anot ve katot arasındaki enerji reaksiyonunu düşüren katalizör görevi üstlenir. Bu yüzden lityum polimer piller hafif enerji tüketimlerine izin verir. Böylece pil kullanılmadığında ömründen gitmez.  Ancak bu avantaj,% 10 ila% 30 maliyet artışı ile dengelenir. Bunun haricinde lityum polimer piller lityum iyon illerle aynı kimyasal özelliğe sahiptir.  Fakat daha az tehlikelidir.

katı polimer esnek bir yapıya sahiptir. bu yüzden esnek yapıya sahip polimer piller yapılabilir.Aynı zamanda çok ince, çok küçük ve istenilen şekilde polimer piller üretilebilir.