Lityum İyon Pil nedir?
Yeniden şarj edilebilir piller ikincil piller olarak adlandırılmaktadır. Şarjları bittikten sonra tekrar şarj edilerek kullanılacak duruma gelen elektrokimyasal hücrelerdir.
Lityum iyon pil hafif alaşımlı lityum esas alınarak üretilmiş olan şarj edilebilir bir pildir. Lityum pillerin aksine bu piller şarj edilebilir özelliğe sahiptirler. Oldukça hızlı tepki verebilen farklı elektriksel yükleri olan hassas kimyasal bileşenlerin bir birleşimini içermektedirler. Pozitif ve negatif yüklü kimyasallar sadece incecik plastik bir duvarla ayrılırlar.
Lityum iyon piller için genel olarak İngilizce Li-Ion kısaltmasıyla kullanılır. Bu tip pilin temel ilkesi şudur: Dolma ve boşalma işlemi, temelde sadece lityum iyonların yani elektrikle yüklü lityum atomların iki elektrot arasında transferine sebep olur. Pil dolarken lityum iyonlar karbondan yapılmış grafit bir katmana transfer edilirler. Boşalma esnasında iyonlar tekrar geri gider. Bu sırada iyonların geçişi elektron akışını kontrol eden elektromanyetik bir güç yaratır. Lityum iyon pillerde, artı uç lityum metal oksitten ve eksi uç karbondan yapılmıştır.
Lityum iyon pillerin avantajları şunlardır:
1- Kapalı hücre, bakım gerektirmemesi
2- Uzun ömürlü olması
3- Geniş çalışma sıcaklık aralığı
4- Uzun raf ömrüne sahip olması
5- Çabuk şarj olabilme kabiliyetinin olması
6- Yüksek güçlü deşarj kapasitesi
7- Yüksek enerji verimine sahip olma
8- Yüksek spesifik enerji ve enerji yoğunluğu
9- Hafıza etkisinin söz konusu olmayışı
Lityum iyon pillerin dezavantajları ise şunlardır:
1- Yüksek fiyat
2- Yüksek sıcaklıklarda bozunması
3- Koruyucu devre ihtiyacının olması
4- Aşırı şarj neticesinde kapasite kaybı ya da termal bozunma
Lityum iyon pillerin üretildiklerinden sonra şarj edilseler de edilmeseler de ömürleri üretim tarihinden itibaren azalmaya başlamaktadır.
Şu iyi bilinmelidir ki kullanılmasa bile bir lityum iyon pilin kapasitesi, lityumun elektrolitlerle girdiği kullanıcı reaksiyondan dolayı mutlaka zamanla azalır. Bu işlem kendiliğinden boşalma olarak adlandırılır. Bu, bütün pil türlerinde olur ancak, daha eski türlere göre lityum iyon pillerde çok daha az olmaktadır.
Lityum iyon pillerde bellek etkisi yoktur. Eski nikel kadmiyum pillerde, sık kısmi boşalma pilin yeniden şarj için gerekli olan enerji ihtiyacını fark etmesine ve artık tam kapasiteyle çalışmamasına yol açar. Öte yandan, lityum iyon piller istenildiğinde tam kapasiteyle yeniden şarj edilebilmektedir. Bu durum, bu pillerin kullanımını kolaylaştırmakta ve bu piller yüksek kapasiteye sahip olmalarına rağmen küçük ve oldukça hafiftir.
1970 yılında Lityum metalinin enerji uygulamalarında kullanımına ait avantajlar fark edildikten sonra Exxon ilk defa 1972 yılında TiS2 yapısında katot üreterek lityum pilini üretmiştir. 1980 yılında katmanlı yapıdaki sülfür içeren katot malzemelerinin uzun çevrimler boyunca kararlı kalmadığı saptanmıştır. Goodenough ve arkadaşları alternatif malzeme olarak metal oksitlerin katot olarak kullanılmasını tavsiye etmişlerdir.
İlk defa 1991 yılında Sony adlı firma ilk ticari Lityum iyon pili üretmiştir. Firma, LiCoO2’in katot, karbonun anot olarak kullanıldığı bu hücrelerde 3,6 V üstünde potansiyel elde edilmiş olan uzun çevrimler boyunca kararlılık gösteren lityum iyon pillerin üretmeyi başarmıştır. Diğer firmalar için örnek olmuştur. Pil teknolojisinde rekabet bu tarihten itibaren hızla artmış ve bilhassa pillerin çevrim ömürleri (şarj-deşarj çevrimi), hacimsel enerji yoğunlukları, spesifik enerjileri, güvenlikleri ve yüksek sıcaklıklarda kararlı yapıları üzerinde ciddi araştırma ve geliştirme çalışmaları yapılmaya başlanmıştır.
Yeniden şarj edilebilme özelliğine sahip olan lityum iyon pillerde, hücreler diğer pil sistemlerinde olduğu gibi enerjiyi üretmek ve depolamaktan birincil derece sorumlu üç ana bileşenden meydana gelmektedir. Bunlar anot, katot ve elektrolit olarak adlandırılmaktadır. Anot malzeme negatif elektrot, katot malzeme ise pozitif elektrot olarak görev alır. Pozitif elektrotlar genel olarak tünel ya da tabakalı yapılara sahip metal oksitlerden meydana gelirler. Negatif elektrot malzemeler de tabakalı yapılara sahiptirler. Bunlar sayesinde hücrenin/pilin şarjı ve deşarjı esnasında Li iyonları pozitif ve negatif elektrotları arasında karşılıklı olarak yer değiştirebilmektedir. Bu yer değiştirme topotaktik reaksiyonu olarak tanımlanır.
Tekrar şarj edilebilir özelliğe sahip olan lityum iyon pillerde verim, kapasite ile belirlenmektedir. Hücrede aktif durumdaki malzeme miktarı ile belirlenmekte olan kapasite, tam olarak şarj edilmiş bir pilden belirli deşarj koşulları altında elde edilen toplam amper saat (Ah) olarak tanımlanır. Aktif bir gram eş değer malzeme 96500 C yük ya da 26,8Ah teorik kapasiteye sahiptir.