Lityum iyon batarya

Bir lityum-iyon veya Li-iyon pil, enerji depolamak için lityum iyonlarının tersine çevrilebilir indirgemesini kullanan şarj edilebilir pil türüdür. Geleneksel lityum iyon pilinin anodu (negatif elektrodu) genelde karbon'dan yapılan grafit'tir. Katot (pozitif elektrot) genellikle metal oksit'tir. Elektrolit genelde bir organik çözücü içindeki lityum tuz'udur.

Bir lityum iyon pil

Çeşitli kullanım alanlarına göre lityum iyon piller

Taşınabilir tüketici elektroniği ve elektrikli araçlarda en çok kullanılan pil türüdür. Ayrıca şebeke ölçeğinde enerji depolama ve askeri ve havacılık uygulamalarında önemli kullanımı vardır. Diğer şarjlı pil teknolojileriyle karşılaştırıldığında, Li-ion piller yüksek enerji yoğunluğuna, az kendi kendine boşalmaya sahiptir ve hafıza etkisi yoktur (ancak LFP hücrelerinde bildirilen küçük bir hafıza etkisi kötü yapılmış hücrelere kadar izlenmiştir).

Kimya, performans, maliyet ve güvenlik özellikleri, lityum iyon pil türlerine göre değişir. Ticari Li-ion pillerinin çoğu, aktif malzemeler olarak ara ekleme bileşiklerini kullanır. Anot veya negatif elektrot genellikle grafit'tir ancak silikon-karbon da giderek daha çok kullanılmaktadır. Hücreler, enerji veya güç yoğunluğuna öncelik verecek şekilde üretilebilir. Elde taşınan elektronik cihazlarda çoğunlukla birlikte yüksek enerji yoğunluğu sunan lityum polimer piller (elektrolit olarak bir polimer jel ile), lityum kobalt oksit (LiCoO₂) katot malzemesi ve grafit anot kullanılır. Lityum demir fosfat (LiFePO₄), lityum manganez oksit (LiMn₂O₄ spinel veya Li₂MnO₃-bazlı lityum açısından zengin katmanlı malzemeler, LMR-NMC) ve lityum nikel manganez kobalt oksit (LiNiMnCoO₂ veya NMC) daha uzun ömürlü olabilir ve daha iyi hız kapasiteli olabilir. NMC ve türevleri araçlardan kaynaklanan sera gazı emisyonlarını azaltmak için (Yenilenebilir enerji ile birlikte) ana teknolojilerden biri olan elektrikli araçlarda yaygın kullanılır.

M. Stanley Whittingham, 1970'lerde interkalasyon elektrotları kavramını keşfetti ve güvenlik sorunlarından muzdarip olmasına ve asla ticarileştirilmemesine rağmen titanyum disülfit katodu ve lityum-alüminyum anodu temel alan ilk şarjlı lityum-iyon pili yaptı.John Goodenough, 1980 yılında lityum kobalt oksiti katot olarak kullanarak bu çalışmayı geliştirdi. 1991 yılında Yoshio Nishi liderliğindeki Sony ve Asahi Kasei ekibi tarafından ticarileştiren Lityum metal yerine karbonlu anotlu modern Li-ion pilin ilk prototipi 1985 yılında Akira Yoshino tarafından geliştirildi.

Lityum-iyon piller, hücreler yanıcı elektrolitlere sahip olduğundan ve hasar gördüğünde veya yanlış şarj edildiğinde patlamalara ve yangınlara yol açabileceğinden, uygun şekilde tasarlanıp üretilmediğinde güvenlik tehlikesi oluşturabilir. Güvenli lityum-iyon pillerin üretiminde birçok gelişme ilerleme kaydetmiştir. Lityum iyon tüm katı hal pilleri, yanıcı elektroliti ortadan kaldırmak için geliştirilmektedir. Uygun olmayan şekilde geri dönüştürülen piller, özellikle zehirli metallerden olmak üzere zehirli atık oluşturabilir ve yangın riski altındadır. Ayrıca, hem lityum hem de pillerde kullanılan diğer önemli stratejik mineraller, lityumun genellikle kurak bölgelerde su yoğun olması ve diğer minerallerin genellikle kobalt gibi ihtilaflı mineraller olması nedeniyle, madenden çıkarmada önemli sorunları vardır. Her iki çevresel sorun da bazı araştırmacıları mineral verimliliğini ve demir-hava pilleri gibi alternatifleri geliştirmeye teşvik etti.

Lityum-iyon piller için araştırma alanları, diğerlerinin yanı sıra kullanım ömrünün uzatılması, enerji yoğunluğunun artırılması, güvenliğin artırılması, maliyetin düşürülmesi ve şarj hızının artırılmasıdır. Tipik elektrolitte kullanılan organik çözücülerin yanıcılığı ve uçuculuğuna dayalı olarak güvenliği artırmanın yolu olarak yanıcı olmayan elektrolitler alanında araştırmalar devam etmektedir. Stratejiler arasında sulu lityum-iyon piller, seramik katı elektrolitler, polimer elektrolitler, iyonik sıvılar ve yoğun florlu sistemler bulunur.

Kapasite kaybı yaşamamak için bekleme voltajında (3.6 volt) bekletilmelidir. Tepe voltaj değeri 4.2'dir. Yaklaşık 500 döngüden sonra %10 kapasite azalması olur. Lityum polimer pillere göre daha güvenlidir. Anlık ve sürekli verebildikleri güce göre kullanım alanları değişir, buna ''C'' değeri denir. Örneğin 2000 mAh pilin c değeri 5 ise anlık verebildiği güç 10000 mAh'dır. (Ortalama olarak laptoplarda 2C 4/5/6 amper, scooter vb. araçlarda 5C 10 amper, matkaplarda, yoğun güç gereken yerlerde 10C 20 amper piller kullanılır.) Farklı lityum pil tasarımları ise lityum polimer pil (lithium polymer cell), lityum demir fosfat (LiFePO₄) ve lityum titanat pil hücreleridir. Matkap, laptop, robot süpürge ve scooter gibi araçlarda 18650 olarak nitelenen pil vardır.

Tarihçe

Dikdörtgen A&TB 1050 mA·h prizmatik Lityum iyon hücre serisi LGQ863448H

Lityum pil ilk olarak Gilbert N. Lewis tarafından 1912 yılında icat edilmiştir. İlk yeniden doldurulamayan pil hücreleri ise 1970'lerin ilk yıllarında ortaya çıkmıştır. Yeniden doldurulabilir lityum iyon pillerin piyasaya sürülebilmeleri yaklaşık 20 yıllık bir çalışmadan sonra mümkün olmuştur. İlk ticari versiyon 1991 yılında John B. Goodnogh yönetimindeki çalışma grubu Sony tarafından bulunmuştur.

Türkiye'de de silindirik lityum iyon piller (18650) Türk Silahlı Kuvvetlerini Güçlendirme Vakfı'nın bir kuruluşu olan ASPİLSAN Enerji tarafından üretilmektedir.

Tasarım

Kapatmadan önce silindirik hücre (18650)

Lityum-iyon pil izleme elektroniği (aşırı şarj ve derin deşarj koruması)

Ölçek için alkalin AA içeren 18650 boyutunda bir lityum iyon hücresi. 18650, örneğin dizüstü bilgisayarlarda veya EA'lar'da kullanılır

Genel olarak, geleneksel bir lityum-iyon pilin negatif elektrotu karbon'dan yapılmış grafit'tir. Pozitif elektrot tipik olarak bir metaldir oksittir. Elektrolit, organik çözücü içindeki lityum tuz'udur.Anot (negatif elektrot) ve katot'un (pozitif elektrot) kısa devre yapması ayırıcı tarafından önlenir. Anot ve katot, akım toplayıcı adı verilen bir metal parçası ile harici elektroniklerden ayrılır. Elektrotların elektrokimyasal rolleri, hücreden geçen akımın yönüne bağlı olarak anot ve katot arasında tersine döner.

Ticari olarak kullanılan en yaygın anot grafit'tir ve tamamen lityumlanmış LiC₆ durumunda maksimum 1339 C/g (372 mAh/g) kapasiteyle ilişkilidir. Katot genellikle katmanlı bir oksit (lityum kobalt oksit gibi), bir polianyon (lityum demir fosfat gibi) veya bir spinel (lityum mangan oksit gibi) üç malzemeden biridir. Daha deneysel malzemeler arasında grafen içeren elektrotlar bulunur ancak bunlar yüksek maliyetleri nedeniyle ticari olarak uygun olmaktan uzaktır.

Lityum pil (araştırma ödevi)

Lityum-iyon pil izleme elektronik devresi (aşırı şarj ve derin deşarj koruması)

Alkalin AA ölçüsüyle bir 18650 boyutlu lityum iyon pili. 18650 dizüstü bilgisayarlarda veya EV'lerde kullanılır.

Genellikle geleneksel lityum iyon pilin negatif elektrotu karbon'dan yapılır. Pozitif elektrot genelde bir metal oksit’tir. Elektrolit, organik çözücüdeki lityum tuzudur. Elektrotların elektrokimyasal rolleri, pilden geçen akımın yönüne bağlı olarak anot ve katot arasında tersine döner.

En çok ticari kullanılan anot (negatif elektrot), grafit olup, LiC₆'nın tamamen litlenmiş halinde, maksimum 1339 C/g (372 mAh/g) kapasitelidir.

Pozitif elektrot genellikle şu üç malzemeden biridir: katmanlı oksit (lityum kobalt oksit gibi), polianyon (lityum demir fosfat gibi) veya spinel (lityum manganez oksit gibi).Grafen elektrotlu malzemeler denenmektedir ancak bunlar yüksek maliyetleri nedeniyle ticari olarak uygulanabilir değildir.

Lityum suyla şiddetli şekilde reaksiyona girerek lityum hidroksit (LiOH) ve hidrojen gazı oluşturur. Bu nedenle genelde susuz elektrolit kullanılır ve sızdırmaz bir kap pil paketindeki nemi dışarıda tutar. Sulu olmayan elektrolit, etilen karbonat ve propilen karbonat gibi organik karbonatların karışımıdır ve kompleksleri lityum iyonlarını içerir. Etilen karbonat, negatif karbon anot üzerinde katı elektrolit ara fazı yapmak için gereklidir ancak oda sıcaklığında katı olduğundan etilen karbonatı çözmek için propilen karbonat eklenir.

Elektrolit tuzu iyonik iletkenlikle kimyasal ve elektrokimyasal kararlılığı iyi şekilde birleştiren lityum heksaflorofosfattır (LiPF₆). Heksaflorofosfat, pozitif elektrot (katot) için kullanılan alüminyum akım toplayıcısını pasifleştirmek için gereklidir. Titanyum şerit, alüminyum akım toplayıcıya ultrasonik kaynak yapılarak birleştirilir.

Lityum perklorat (LiClO₄), lityum tetrafloroborat (LiBF₄) ve lityum bis(triflorometansülfonil)imid gibi diğer tuzlar (LiC₂F₆NO₄S₂) şeritsiz ve düğme biçimli pillerin araştırmalarda kullanılır ancak genellikle alüminyum akım toplayıcı ile uyumlu olmadıklarından daha büyük pillerde kullanılamaz. Nikel şeritle nokta kaynakla birleştirilen bakır folyo, anot (negatif) akım toplayıcısı olarak kullanılır.

Malzeme seçimlerine göre, lityum iyon pilin voltajı, enerji yoğunluğu, ömrü ve güvenliği değişir. Hâlen performansı artırmak için nanoteknoloji kullanarak yeni mimarilerin kullanılması araştırılmaktadır. Nano ölçekli elektrot malzemeleri ve alternatif elektrot yapıları araştırma konularıdır.

Pillere yönelik artan talep, satıcıların ve akademisyenlerin lityum iyon pillerin enerji yoğunluğuna, çalışma sıcaklığına, güvenliğine, dayanıklılığına, şarj süresine, çıkış gücüne, kobalt gereksinimlerinin ortadan kaldırılmasına odaklanmaya, ve pilin teknoloji maliyetini azaltmaya yöneltti.

Avantajlar

Lityum iyon piller diğer kimyasallarla hazırlanan denklerine oranla sıklıkla çok daha hafiftirler. Bunun sebebi lityum iyon pillerin en üst seviyede doldurulabilme yoğunluklarıdır. Lityum iyon piller küçük ve taşınabilirdir. Lityum iyon piller için hafıza etkisi sorunu yoktur, dolayısıyla bu pilleri şarj etmek için tam olarak boşalmalarını beklemek gerekmez. Ayrıca yine aynı nedenden dolayı şarjı yarıda kesmek pil için olumsuz bir etki yaratmaz.

Dezavantajlar

Lityum iyon pillerin en belirgin kusuru kullanım ömürlerinin üretim tarihlerinden itibaren başlamasıdır. Üretildiklerinden sonra şarj edilseler de edilmeseler de ömürleri üretim tarihinden itibaren azalmaya başlamaktadır. Ancak bu kusur muhtemel müşterilere (topluma) pek duyurulmaz.

%100 seviyesindeki ve çoğunlukla 25 °C sıcaklıkta bulunan tam dolu tipik bir dizüstü bilgisayar pili, geri dönüşü olmayacak şekilde her yıl %20'sini kaybeder. Bu kapasite kaybı ürünün üretim tarihinden itibaren başlar ve pil hiç kullanılmasa bile devam eder. Değişik depolama/saklama dereceleri değişik pil ömrü kayıplarına yol açmaktadır. 0 °C'de %6, 25 °C'de %20 ve 40 °C'de %35 kayıpla karşılaşılabilir.

Eğer lityum iyon pil %40 dolu olarak depolanırsa/saklanırsa pil kapasitesindeki kayıp değerleri düşer. Bu değerler %40 dolu pilde 0 °C'de %2'ye, 25 °C'de %4'e, 40 °C'de ise %15'e düşer.

Eğer pil %0'a kadar boşaltılırsa bu durum "tam boşaltma" olarak adlandırılır ve bu durum pilin kapasitesini düşürür. Yaklaşık olarak 100 tam boşaltma pilin kapasitesinde %75 ila %80 arası bir kapasite kaybına yol açar. Dizüstü bilgisayarlarda ya da cep telefonlarında kullanıldığında bu kayıpların anlamı üç-beş yıllık bir kullanımın ardından pilin kapasitesinin kullanılamayacak kadar düşecek olmasıdır.

Lityum iyon piller hafıza etkisinden etkilenmezler ancak nikel metal hidrür ya da nikel kadmiyum piller kadar uzun ömürlü değildirler. Hatalı kullanıldıklarında çok tehlikeli olabilirler. İleri kimya bilgisi ve gelişmiş çalışmalar gerektirdiklerinden çoğunlukla daha pahalıdırlar.

Uyarılar

Lityum iyon piller yüksek ısıya ya da doğrudan güneş ışığına maruz bırakılırlarsa kolayca tutuşabilir ya da patlayabilir. Asla sıcak bir havada arabada bırakılmamalıdır.

Yeni teknolojiler

2005 yılında farklı firmalar tarafından yeni gelişmeler kaydedilmiştir. Prototip pillerde, var olan lityum iyon pillerin üç katına kadar fazla enerji depolanabilirken tam doldurma süresi de 8 dakikaya kadar düşürülmüştür.

Ayrıca bakınız

• Pil
• Lityum pil
• Lityum–hava pili
• Nikel kadmiyum pil

Kaynakça

1. ^ ^{a b c} Silberberg, M. (2006). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change, 4th Ed. New York (NY): McGraw-Hill Education. p. 935, .
2. ^ ^{a b} Li, Ao; Yuen, Anthony Chun Yin; Wang, Wei; De Cachinho Cordeiro, Ivan Miguel; Wang, Cheng; Chen, Timothy Bo Yuan; Zhang, Jin; Chan, Qing Nian; Yeoh, Guan Heng (January 2021). "A Review on Lithium-Ion Battery Separators towards Enhanced Safety Performances and Modelling Approaches". Molecules (İngilizce). 26 (2): 478. doi:10.3390/molecules26020478 . ISSN 1420-3049. (PMC) 7831081 $2. (PMID) 33477513. 
3. ^ . 25 Temmuz 2022. 26 Temmuz 2022 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
4. ^ Lain, Michael J.; Brandon, James; Kendrick, Emma (December 2019). "Design Strategies for High Power vs. High Energy Lithium Ion Cells". Batteries (İngilizce). 5 (4): 64. doi:10.3390/batteries5040064 . Commercial lithium ion cells are now optimized for either high energy density or high power density. There is a trade off in cell design between the power and energy requirements. 
5. ^ Mauger, A; Julien, C.M. (28 Haziran 2017). "Critical review on lithium-ion batteries: are they safe? Sustainable?" (PDF). Ionics. 23 (8): 1933-1947. doi:10.1007/s11581-017-2177-8. 2 Mart 2023 tarihinde kaynağından (PDF). Erişim tarihi: 2 Mart 2023. 
6. ^ Kaynak hatası: Geçersiz <ref> etiketi; E-electric20200604 isimli refler için metin sağlanmadı (Bkz: )
7. ^ . Project Drawdown (İngilizce). 9 Şubat 2020. 1 Nisan 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 13 Mart 2022. 
8. ^ Zhang, Runsen; Fujimori, Shinichiro (19 Şubat 2020). "The role of transport electrification in global climate change mitigation scenarios". Environmental Research Letters (İngilizce). 15 (3): 034019. Bibcode:2020ERL....15c4019Z. doi:10.1088/1748-9326/ab6658 . ISSN 1748-9326. 2 Mart 2023 tarihinde kaynağından . Erişim tarihi: 2 Mart 2023. 
9. ^ . The Research Foundation for the State University of New York. 30 Ekim 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 10 Ekim 2019. 
10. ^ . . Nobel Foundation. 2019. 9 Ekim 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 1 Ocak 2020. 
11. ^ . National Academy of Engineering. 11 Nisan 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Ekim 2019. 
12. ^ Review: A review of lithium-ion battery safety concerns: The issues, strategies, and testing standards 7 Aralık 2022 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
    Elsevier Journal of Energy Chemistry Volume 59, August 2021, Pages 83-99. DOI:10.1016/j.jechem.2020.10.017
13. ^ Eftekhari, Ali (2017). "Lithium-Ion Batteries with High Rate Capabilities". ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 5 (3): 2799-2816. doi:10.1021/acssuschemeng.7b00046. 
14. ^ . eepower.com (İngilizce). 9 Haziran 2022 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 2 Kasım 2022. 
15. ^ Hopkins, Gina (16 Kasım 2017). "Watch: Cuts and dunks don't stop new lithium-ion battery - Futurity". Futurity. 10 Temmuz 2018 tarihinde kaynağından . Erişim tarihi: 10 Temmuz 2018. 
16. ^ Chawla, N.; Bharti, N.; Singh, S. (2019). "Recent Advances in Non-Flammable Electrolytes for Safer Lithium-Ion Batteries". Batteries. 5: 19. doi:10.3390/batteries5010019 . 
17. ^ Yao, X.L.; Xie, S.; Chen, C.; Wang, Q.S.; Sun, J.; Wang, Q.S.; Sun, J. (2004). "Comparative study of trimethyl phosphite and trimethyl phosphate as electrolyte additives in lithium ion batteries". Journal of Power Sources. 144: 170-175. doi:10.1016/j.jpowsour.2004.11.042. 
18. ^ Fergus, J.W. (2010). "Ceramic and polymeric solid electrolytes for lithium-ion batteries". Journal of Power Sources. 195 (15): 4554-4569. Bibcode:2010JPS...195.4554F. doi:10.1016/j.jpowsour.2010.01.076. 
19. ^ Kaynak hatası: Geçersiz <ref> etiketi; :3 isimli refler için metin sağlanmadı (Bkz: )
20. ^ ^{a b} G. Shao et al.: Polymer-Derived SiOC Integrated with a Graphene Aerogel As a Highly Stable Li-Ion Battery Anode ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 41, 46045–46056
21. ^ ^{a b} Thackeray, M. M.; Thomas, J. O.; Whittingham, M. S. (2011). "Science and Applications of Mixed Conductors for Lithium Batteries". MRS Bulletin. 25 (3): 39-46. doi:10.1557/mrs2000.17. 
22. ^ ^{a b} El-Kady, Maher F.; Shao, Yuanlong; Kaner, Richard B. (July 2016). "Graphene for batteries, supercapacitors and beyond". Nature Reviews Materials. 1 (7): 16033. Bibcode:2016NatRM...116033E. doi:10.1038/natrevmats.2016.33. 
23. ^ MSDS: National Power Corp Lithium Ion Batteries 26 Haziran 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde . (PDF). tek.com; Tektronix Inc., 7 May 2004. Retrieved 11 June 2010.
24. ^ Xu, Kang (1 Ekim 2004). "Nonaqueous Liquid Electrolytes for Lithium-Based Rechargeable Batteries". Chemical Reviews. 104 (10): 4303-4418. doi:10.1021/cr030203g. (PMID) 15669157. 
25. ^ Joyce, C.; Trahy, L.; Bauer, S.; Dogan, F.; Vaughey, J. (2012). "Metallic Copper Binders for Lithium-Ion Battery Silicon Electrodes". Journal of the Electrochemical Society. 159 (6): 909-914. doi:10.1149/2.107206jes. 
26. ^ . Cobra. 21 Mayıs 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
27. ^ . 3 Haziran 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
28. ^ Chen, Mingyi; Liu, Jiahao; He, Yaping; Yuen, Richard; Wang, Jian (1 Ekim 2017). "Study of the fire hazards of lithium-ion batteries at different pressures". Applied Thermal Engineering (İngilizce). 125: 1061-1074. doi:10.1016/j.applthermaleng.2017.06.131. ISSN 1359-4311.