lityum iyon pil, 20 yy. devrim niteliğinde bir diğer gelişmedir.

şarj edilebilir ve taşınabilir pil tarihine baktığımızda ilk olarak 1899'larda ni-cd esaslı pilleri görüyoruz ve bu piller kurşun-asit pillere rakip olarak üretiliyor. toksik olmaları ve düşük kapasiteleri sebebiyle ni-mh pillere geçilmiş ve son olarak lityum-iyon pil teknolojisine ulaşılmıştır.

pil nasıl çalışır?

pillerin temeli elektron transferine dayanır. eğer bir yerden bir yere elektron akışı sağlarsanız size akımı yani elektrik enerjisini oluşturur. bunu yapmanın en basit yolu elektrokimyasal bir hücre oluşturmaktır. elektrokimyasal hücrede 4 temel bölge mevcuttur.

katot: elektron alan
anot: elektron veren
elektrolit: iyonlaşmadan ve iyonların taşınmasından sorumlu ortam
elektrot: elektron taşıyan bağlantılar

emk serisi dediğimiz bir sıralama mevcuttur ve basit anlamda; bu sıralamada metaller elektron verme kolaylıklarına göre sıralanır. siz bu seride farklı 2 metali birbirine bağlarsanız, metallerden biri kolay, diğeri zor elektron vereceği için bir elektron transferi olur ve bu esnada akım üretirsiniz. (bu durum aynı zamanda korozyonun da sebebidir.) akülerin, harcanabilir alkalin pillerin, çinko-karbon pillerin çalışma prensibi de bulur.

peki telefonlarımızın saatlerce açık kalmasını sağlayan, ömrü uzun lityum iyon pillerin çalışma mantığı nedir? madem elimizde diğer piller vardı, neden lityum iyona ihtiyaç duyduk? aslında çalışma prensipleri tamamen aynıdır, tek fark kullanılan malzemedir.

elektrokimyasal seride elementlere baktığımız zaman periyodik cetvelde en üst solda 3 atomlu lityumu görürüz. lityum sapına kadar bir metaldir ve elektronlarını çok kolay şekilde vermesiyle ünlüdür. doğada saf halde bırakın bulunmasını, kimyasal olarak elde etmek bile güçtür. bu yüzden ilk zamanlarda çinko-karbon piller kullanılmıştır. yine mantıklı bir sebebi var. çinkoyu metalik formatta kolaylıkla elde edebiliyoruz fakat ömrü çok kısa, şarj edilemiyor ve 2 volt kadar gerilim sağlıyor. büyüttükçe ağırlığı da artıyor.

lityumun potansiyeli yüksek fakat kararsız bir metal, bu sebeple kararlı hale getirmek fakat hala elektron kopartabiliyor olmak için bileşik formatına sokmak en mantıklı çözüm olarak görünüyor. tabii bu durumda elektronunu verememe tehlikesi mevcut. araştırmalar sonunda 1990'larda lityum-kobalt-oksit bileşik keşfediliyor.

lityum iyon pil nasıl çalışır?

şarjlı pillerde bilmeniz gereken ilk kural en başta şarj ederken katottan anoda iyonik halde atom taşıdığımız, elektrikten çektiğimiz anda bu bölgelerin normal bir pil hücresi gibi çalıştığıdır. yani anot->katota elektron gönderir. giden elektronlarla iyonik halde sıvıda çözünmüş atomlar birleşir.

bunu lityum iyona uyarlayalım: katot olarak licoo2 (veya linio2, or limn2o4 ), anot olarak ise grafit seçiyoruz. grafitin özelliği tabakalı yapıya sahip olması. pil şarj edildiği zaman önce elektronlar grafite (anota) yol alıyor, elektronlarını kaybeden ve çözeltiye geçen çözünmüş lityum iyonları (li+1 formatında) ise grafit tabakalarının arasına sıkışıyor. siz şarjdan çektiğiniz anda kararsız lityum iyonları hızlıca katota tekrardan yola alarak bileşik yapıyor ve elektronlar da tekrardan anottan->katota geçiyor ve lityumun kararsızlığı sebebiyle ilgili bileşikte 3,7 volt değerinde gerilim elde ediyorsunuz. 

lityum (li-po) polimer piller

yakın tarihte bunların lityum polimer versiyonları da çıktı. bunlarda en önemli fark hareketi ve iyonlaşmayı sağlayan sıvı elektrolitin yerine katı polimer olması, özel bir kaplamaya ihtiyaç duymamaları ve hafif olmalarıdır.

eskiden kullanılan çinko-karbon pillerde bunu neden yapamıyorduk?

çinko metalik formattadır, bir kere yolculuğunu tamamlayan çinko'nun geri dönmesi için hiçbir sebep yok. genellikle de bileşik yaparak elektrolit içinde kalır veya gittiği yerde metalik formatta hayatını sürdürür. oysa ki lityumun kararlı olacağı bir licoo2 bileşiği mevcut. işte devrim de burada yatıyor. licoo2 pillerde grafit ya da licoo2 tarafı tükenmiyor, sadece yer değiştirip duruyorlar. bu pillerin daha güzel bir tarafı var o da hafif olmaları.

çeşitli referanslar:
1) reiner korthauer(editor), "lithium-ion batteries: basics and applications", springer berlin heidelberg, 2018.
2) vladimir s. bagotsky, alexander m. skundin, yurij m. volfkovich, "electrochemical power sources: batteries, fuel cells, and supercapacitors", the ecs series of texts and monographs, 2015.

daha fazlası:

Elektrikli Arabalarda Kullanılan Lityum, Latin Amerika'yı Geleceğin Orta Doğu'su Yapar mı?