Lityum iyon pil

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.

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 () katot malzemesi ve grafit anot kullanılır. Lityum demir fosfat (), lityum manganez oksit ( spinel, veya -bazlı lityum açısından zengin katmanlı malzemeler, LMR-NMC) ve lityum nikel manganez kobalt oksit ( 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.

Lityum pil ilk olarak Gilbert N. Lewis tarafından 1912 yılında keşfedilmiştir. 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.

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.

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.

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 (). Heksaflorofosfat, pozitif elektrot (katot) için kullanılan alüminyum akım toplayıcısını pasifleştirmek için gereklidir. Titanyum şerit, alüminyum akım toplayıcıya ultrasonik kaynak yapılarak birleştirilir.

Lityum perklorat (), lityum tetrafloroborat () ve lityum bis(triflorometansülfonil)imid gibi diğer tuzlar () 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.

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.

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 şarj seviyesindeki ve çoğunlukla 25 °C derece sıcaklıkta bulunan tam dolu tipik bir dizüstü bilgisayar pili, geri dönüşü olmayacak şekilde her yıl kapasitesinin %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 derecede %6, 25 °C derecede %20 ve 40 °C derecede %35 kayıpla karşılaşılabilir.

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

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

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.