Hayatımızı değiştiren teknoloji: Lityum iyon bataryalar
  1. Anasayfa
  2. Teknoloji

Hayatımızı değiştiren teknoloji: Lityum iyon bataryalar

0
Cep telefonları, bilgisayarlar, tabletler üzere taşınabilir her türlü elektronik alete güç veren hatta son yıllarda arabalar, motosikletler, bisikletler ve drone üzere hava araçlarında dahi karşımıza çıkan lityum iyon bataryalar hiç elbet ki son yılların en büyük icatlarından birisi. Toplumsal ömrümüze farkında olmasak dahi çok büyük tesirde bulunan lityum iyon piller, 2019 yılında mucitlerine Nobel Kimya Mükafatı kazandırarak kıymetini ortaya koydular. Pekala neden bu kadar kıymetli bu piller, daha evvelki pillerin yapamadığı neyi başardılar?

Bataryalar nasıl çalışır?

Öncelikli olarak bataryalardan başlayalım. Bataryalar kimyasal olarak enerjiyi depolayan ve bu enerjiyi elektriksel forma dönüştürüp verebilen aygıtlardır. Tüm piller aşağı üst benzeri prensiplerle çalışır. Pillerin biri anot, oburu katot olarak isimlendirilen iki ana bileşeni vardır. Anot (negatif elektrot) yükseltgenme yansımasının meydana geldiği elektrottur yani anot gereci elektron vererek yükseltgenir. Katot (pozitif elektrot) ise indirgenme yansımasının meydana geldiği elektrottur yani katotta kullanılan gereçler elektron alarak indirgenir. Anot ve katodun ortasında ise elektrolit olarak isimlendirilen ve iyonların yani elektriksel olarak yüklü parçacıkların taşınmasını sağlayan bir husus bulunur. Elektrotları birbirine bağlayan iletken tel ise elektronların anottan katoda gerçek akmasını sağlar. Bu sayede devre tamamlanır, elektrik akımı oluşur ve aygıt çalışır.

Pillere ve elektriğe ait bilgiler daha eskilere gitse de birinci pil İtalyan fizikçi Alessandro Volta tarafından geliştirildi. Bakır ve çinko plakalarının ortasına tuzlu suya batırılmış süngerler yerleştiren Volta elektrik akımı elde etmeyi başardı. Böylece Volta pili denilen birinci elektrokimyasal pil bulunmuş oldu.

Kurşun asit piller

Volta’nın icadından bu yana birçok pil çeşidi geliştirildi. Lakin bunlardan en kıymetlisi kurşun asit pillerdi. 1859 yılında Fransız fizikçi Gaston Plante tarafından geliştirilen kurşun asit piller şarj edilebilir birinci batarya olma özelliğini taşıyor. Sülfürik asit içerisine daldırılan bir kurşun anot ve bir kurşun dioksit katottan oluşan pilde her iki elektrotun asitle tepkiye girmesiyle anottaki elektronlar hür kalır. Katotta ise tıpkı tepki elektronları tüketir. Böylece elektronlar anottan katoda akarak elektrik akımı üretilmiş olur. Kurşun asit bataryalar günümüzde dahi birebir temel prensiple çalışıyorlar. Güç yoğunlukları ve ömürleri düşük olsa da uygun fiyatı sayesinde bugün dahi hala bize hizmet ediyorlar.

Lityum iyon bataryaları özel yapan ne?

Kurşun asit bataryalardan sonra birçok şarj edilebilir batarya çeşidi geliştirildi. Nikel kadmiyum, Nikel metal hidrür gibi bataryalar hayatımızda değerli yer ettiler. Fakat hepsinin kıymetli bir kusuru vardı: Güç yoğunluklarının düşük olması. Lityum bataryaların bu kadar değerli olmasının ve mucitlerine Nobel mükafatı kazandırmasının en değerli sebebi bu. Diğer bataryalara nazaran daha az hacim ve yükte daha fazla güç sağlayabilmesi. Bu güç yoğunluğu lityum metalinin kimyasal özelliklerinden ileri geliyor. Periyodik tabloda birinci kümede hidrojenin çabucak altında bulunan lityum, özgül ağrılığı en düşük olan metal olma özelliği taşıyor. Hafifliğinin yanı sıra hayli reaktif bir element olması, çarçabuk elektron verip lityum iyonları oluşturabilmesi de onu çok güzel bir batarya gereci yapıyor.

Lityum iyon bataryaların tarihçesi

Tarihi 1960’lara kadar uzanan lityum iyon bataryaların geliştirilmesinde birçok bilim beşerinin katkısı oldu. Tarihin bir cilvesi olarak petrol devi ExxonMobil’in lityum pillerin geliştirilmesinde büyük katkıları oldu. 1976’da ExxonMobil’de çalışan M. Stanley Whittingham birinci şarj edilebilir lityum iyon pili geliştiren kişi oldu. Katotta titanyum sülfür, anotta ise lityum metal kullanan araştırmacının ürettiği pil hem çok kıymetliydi ve hem de havasız ortamda çalışmak zorundaydı. Havayla tepkiye giren pil zehirli gaz olan hidrojen sülfür üretiyordu. Hasebiyle yaygınlık kazanamadı.

1979’da Oxford Üniversitesi’nden John B. Goodenough ve Tokyo Üniversitesi’nden Koichi Mizushima katot malzemesi olarak lityum kobalt dioksit (LiCoO2) kullanan birinci lityum iyon pili geliştirdiler. Lityum kobalt dioksit lityum iyonlarını sağlayan stabil bir katot gereci olduğu için anot tarafında lityum metal kullanma mecburiliği ortadan kalktı. Böylece stabil ve kullanımı kolay anot materyallerinin kullanımı mümkün hale geldi. Bu gelişme lityum iyon pillerin ticarileşmesinin önü açtı.

1985 yılında Akira Yoshino karbonlu malzemenin içine lityum iyonlarının girebileceğini göstererek anotta asetilen siyahı, katotta ise lityum kobalt oksidi kullanarak şarj edilebilir lityum iyon batarya geliştirdi. Anotta karbonun kullanılması lityum kobalt oksidin güvenliğini dramatik olarak arttırdı ve 5 sene sonra Sony’nin birinci ticari bataryayı piyasaya çıkarmasını sağladı.

1990 yılında Fransız Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi’nden Rachid Yazami, lityum iyon piller için grafit anot ve sıvı elektrolit geliştirmek üzere Sony ile işbirliği yaptı ve sonunda “sihirli” etilen karbonat çözücüyü keşfetti. Bu keşif ile yumuşak karbon, anot gereci olarak kullanılarak lityum iyon bataryaların güç yoğunluğu iki katına çıktı (155 Wh/kg).

1991 yılında Sony ve Japon kimya firması Asahi Kasei birinci ticari şarj edilebilir lityum iyon bataryaların satışına başladı. Ticari bataryaların geliştirilmesini sağlayan grubun başındaki isim ise Yoshio Nishi idi.

2019 yılında birinci lityum iyon bataryayı geliştiren M. Stanley Whittingham, birinci kere katot malzemesi olarak lityum kobalt oksidi kullanan John B. Goodenough ve karbonun anot gereci olarak kullanılabileceğini gösteren Akira Yoshino lityum iyon pillere yaptığı katkılardan ötürü Nobel Kimya Ödülü’ne layık görüldüler.

Lityum iyon pil çeşitleri

Lityum iyon bataryaların geliştirilmesinde ortada atladığımız sayısız bilim beşerinin katkısı oldu ve olmaya da devam ediyor. 1970’lerden günümüze birçok çalışma ile sayısız bileşik içeren kimyasal formülün denenmesi sonucu birçok lityum batarya çeşidi geliştirildi. Artık bu batarya çeşitlerine değinelim.

Lityum kobalt oksit (LiCoO2) – LCO

Yukarıda da bahsettiğimiz üzere lityum kobalt oksit bataryalar (LCO) ticari olarak birinci geliştirilen lityum iyon batarya olma özelliğini taşıyor. Katotta lityum kobalt oksit, anotta ise karbon grafit bulunuyor. Güç yoğunluğu yüksek olan LCO bataryalar görece düşük ömre ve düşük termal stabiliteye sahipler. Birebir vakitte ağır güç sağlama konusunda da yetersiz kalıyorlar. LCO bataryalar genel olarak cep telefonu, tablet ve laptop üzere elektronik aygıtlarda karşımıza çıkıyor. LCO bataryalar yüksek oranda kobalt içerdikleri için yerini günümüzde daha az kobalt içeren nikel manganez kobalt (NMC) ve Nikel kobalt alüminyum oksit (NCA) bataryalara bırakmaya başladı.

Lityum manganez oksit (LiMn2O4) – LMO

İlk olarak 1996’da ticari kullanıma geçen LMO bataryalar ismini katot malzemesi olarak kullanılan lityum manganez oksit bileşiğinden alıyor. Üç boyutlu spinel yapıya sahip mimarisi sayesinde elektrot üzerinde iyon akışı kolaylaştığı için LMO bataryalar düşük iç dirence ve yüksek akımla baş etme kapasitesine sahipler.  Yüksek termal stabiliteye sahip LMO bataryalar inançlı lityum bataryalar ortasında yer alıyor. Lakin hem şarj döngüsü hem de takvim ömrü öbür bataryalara nazaran düşük kalıyor. LMO bataryalar LCO bataryalardan üçte bir oranında daha düşük kapasiteye sahip. Münasebetiyle güç yoğunluğunu arttırmak ismine yaygın olarak NMC bataryalar ile harmanlanarak kullanılıyor. Nissan Leaf, Chevy Volt ve BMW i3 üzere araçlarda bu tip piller kullanıldı. Bataryaların LMO kısmı (%30) yüksek akım verebilmesi sayesinde hızlanmayı sağlarken, NMC kısmı uzun menzil elde etmeyi sağlıyor.

Lityum nikel manganez kobalt oksit (LiNiMnCoO2) – NMC

NMC bataryalar günümüzde kullanılan en başarılı lityum iyon batarya cinslerinden biri. Katotta nikel manganez ve kobalt kombinasyonu kullanan bataryalar yüksek güç ve güç yoğunluğuna sahipler. Anot tarafında öbür lityum iyon bataryalar üzere grafite sahip olan NMC bataryalara silikon eklenerek kapasiteleri daha da arttırılabiliyor. Lakin bu durumda güç kapasitesi ve batarya ömründen feragat ediliyor.

Nikel, bataryaların güç yoğunluğunu arttırmada kıymetli bir element lakin düşük stabiliteye sahip. Mangan ise spinel yapısı sayesinde düşük iç dirence sahip ancak güç yoğunluğu düşük. Bu iki metal kombine edince birbirlerinin güçlerini arttırıyorlar.

NMC tipindeki bataryalar elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılan batarya tipidir. Kullanılan metalin oranına nazaran isimlendirilirler. Örneğin 5 ünite nikel, 3 ünite mangan, 2 ünite kobalt kullanılan bataryalar NMC532 olarak isimlendiriliyor. Kobalt değerli ve kısıtlı bir element olduğu için üreticiler kobalt ölçüsünü düşürmeye çalışıyorlar. Bu nedenle düşük kobalt oranına sahip NMC811 tipindeki bataryalar günümüzde yaygınlaşmaya başladılar.

Lityum demir fosfat (LiFePO4) – LFP

LFP bataryalar 1996 yılında Teksas Üniversitesi’nde fosfatın katot malzemesi olarak kullanılabilmesinin keşfedilmesi sonucu geliştirildiler. Lityum fosfat, bataryalarda düşük iç direnç ve uygun elektrokimyasal performans sağlıyor. LFP bataryaların temel özelliği yüksek akım verebilmesi ve uzun ömre sahip olması. Bunun yanında termal olarak stabil ve inançlı bataryalar ortasında yer alıyor.

LFP bataryalar yüksek şarj düzeylerinde öteki lityum iyon bataryalara nazaran gerilime daha güçlü yapıdalar. 3.2 volt ile öteki lityum iyon bataryalardan daha düşük voltaj düzeyinde olsalar da bu voltajı düz bir formda verebiliyorlar. LFP’lerin en büyük dezavantajı güç yoğunluğunun düşük olması. Fakat başka avantajları ve düşük üretim maliyeti nedeniyle arabalarda gün geçtikçe artan oran da kullanılmaya başlandılar. Uzun ömürleri nedeniyle bilhassa sabit depolamada en çok tercih edilen batarya tipi haline geldiler.

Lityum nikel kobalt alüminyum oksit (LiNiCoAlO2) – NCA

1999 yılından beri özel uygulamalar içi kullanılan NCA bataryalar tıpkı NMC üzere yüksek kobalt düzeyi hasebiyle yüksek güç yoğunluğuna sahipler. Nispeten yüksek güç ve ömre sahip bataryalar güvenlik ve maliyet konusunda ise zayıf not alıyorlar. Tesla’larda kullanılan Panasonic bataryalar NCA türündeler.

Lityum titanat (Li2TiO3) – LTO

Genellikle lityum iyon bataryalar katot materyalinden isimlerini alırlar. Lakin LTO bataryalar bir istisna olarak anot gerecinden isimlerini alıyorlar. 1980’lerden beri bilinen LTO bataryalarda anotta grafit yerine titanyum bileşiği olan lityum titanat yer alıyor. Katotta ise LMO yahut NMC kullanılıyor. Yüksek güç verebilen ve süratli şarj olabilen LTO bataryalar, çok yüksek ömre sahipler. Birebir vakitte en inançlı piller ortasında yer alıyorlar. Soğuk havalarda da çok âlâ performans gösteriyorlar fakat güç yoğunlukları lityum iyon bataryalar ortasında en düşük düzeyde. Üstelik çok kıymetliler. Kullanım alanları özel maksatlı elektrikli güç aktarma organları, UPS’ler ve güneş panelli sokak lambaları olarak sıralanıyor.

Bataryaların karşılaştırması

Lityum iyon bataryaları karşılaştıracak olursak NCA bataryalar güç yoğunluğu manasında dorukta yer alıyor. Ancak sağlayabildikleri güç bakımından LMO ve LFP bataryalar öne çıkıyorlar. LTO bataryalar ise düşük güç yoğunluğuna karşın çok uzun ömürleri ve soğuk performanslarıyla öne çıkıyorlar. NMC bataryalar ise bütün alanlarda ortalama ve üstü performansı ile başkalarından sıyrılıyor. LFP bataryalar da maliyet, uzun ömür ve güvenlik parametreleriyle başkalarından ayrılıyor. Özetle her batarya çeşidi sahip olduğu avantaj ve dezavantajlara nazaran az ya da çok bir kullanım alanı buluyor.

Günümüzde yenilenebilir güce, elektrifikasyona ve elektro mobiliteye yönelim nedeniyle bataryalara büyük gereksinim var. Bu sebeple hem lityum tabanlı hem de öteki unsurları kullanan, daha yüksek kapasiteli, uzun ömürlü ve ucuz bataryalar üzerinde çalışılıyor. Silikon anotlu lityum iyon bataryalar, katı hal bataryaları, sodyum iyon ve lityum sülfür bataryalar üzere gelecek vadeden birçok alternatif batarya çeşidi üzerinde çalışmalar devam ediyor. Gelecekte hangi çeşit bataryaların hakim olacağını bilemeyiz lakin günümüzde lityum iyon bataryaların hayatımızda çok kıymetli bir yer tuttuğu aşikar.
Reaksiyon Göster
  • 0
    alk_
    Alkış
  • 0
    be_enmedim
    Beğenmedim
  • 0
    sevdim
    Sevdim
  • 0
    _z_c_
    Üzücü
  • 0
    _a_rd_m
    Şaşırdım
  • 0
    k_zd_m
    Kızdım

info@teknovivo.com

Yazarın Profili
Paylaş

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir