Lityum Bataryalar için ilk çalışmalar 1912’de G.N. Lewis tarafından başlatıldı, ancak ilk şarj edilemeyen lityum bataryalar 1970’lerin başına kadar ticari olarak piyasaya sürülmedi. Bunu 1980’lerde şarj edilebilir lityum bataryaları geliştirme girişimleri izledi ancak anot malzemesi olarak kullanılan metalik lityumdaki dengesizlikler nedeniyle bu çalışmalar başarısız oldu. (Metal-lityum batarya anot olarak lityum kullanır; Li-iyon anot olarak grafit ve katotta ise aktif malzemeleri kullanır.)
Lityum, bilinen tüm metallerin içinde en hafif olanıdır, en büyük elektrokimyasal potansiyele sahiptir ve ağırlık başına en büyük özgün enerjiyi sağlar. Anot üzerinde lityum metali şarj edilebilir bataryalar olağanüstü yüksek enerji yoğunlukları sağlayabilir. Ancak 1980’lerin ortalarında şarj/deşarj döngülerinin anot üzerinde istenmeyen kristalleşmeler ürettiği keşfedildi.
Bu kristalleşmenin büyümesi sonucu parçacıklar ayırıcıya nüfuz ediyor ve anot ile katot arasında elektriksel bir kısa devre meydana getiriyordu. Hücre sıcaklığı hızlı bir şekilde yükseliyor ve ısı lityumun erime noktasına yaklaşarak “alevle havalandırma” olarak da bilinen termal kaçaklara neden oluyordu.
Japonya’ya gönderilen çok sayıda şarj edilebilir metalik lityum pil, bir cep telefonundaki pilin yanan gazlar çıkarması ve kullanıcısının yüzünde yanık meydana getirdiği için 1991 yılında geri toplatıldı.
Özellikle şarj sırasında lityum metalinin doğal dengesizliği, araştırmayı lityum iyonları kullanarak metalik olmayan bir çözeltiye kaydırdı. 1991’de Sony ilk Li-iyon bataryayı piyasaya sürdü ve bugün bu bileşen piyasadaki en umut verici ve en hızlı büyüyen batarya haline geldi. Özgün enerjide lityum metalden daha düşük olmasına rağmen, voltaj ve akım sınırlarına uyulması koşuluyla Li iyon daha güvenli bir bataryadır. (Bkz. Piller-304a: Li-iyon ile Güvenlik Endişeleri.)
Aslında lityum-kobalt-oksit bataryayı icat etme onuru John B. Goodenough’a (1922) verilmelidir. John B. Goodenough’un Lityum-kobalt-oksit bataryayı geliştirme çalışmaları sırasında Nippon Telephone & Telegraph (NTT) tarafından istihdam edilen bir yüksek lisans öğrencisinin ABD’de Goodenough ile çalıştığı söylenir.
Bataryanın geliştirilmesinden kısa bir süre sonra öğrenci, gelişmenin bütün planlarını yanına alarak Japonya’ya geri döner. Daha sonra 1991’de Sony, lityum-kobalt-oksit katodu üzerine uluslararası bir patent aldı. Yıllarca süren davalar sonucu Sony patent üzerindeki hakkını koruyabildi ve Goodenough çabaları için hiçbir şey almadı.
Li-ion gelişmelere yapılan katkıların farkında olan ABD Ulusal Mühendislik Akademisi Goodenough’a ve diğer katılımcılara 2014 yılında Charles Stark Draper Ödülünü verdi. 2015 yılında İsrail hükümeti Goodenough’a 1 milyon dolarlık bir ödül verdi. Goodenough materyal araştırmalarında yardımcı olmak için bu parayı Texas Materials enstitüsüne bağışlayacağını söyledi,
Üstün özgün enerjinin anahtarı, 3,60V’luk yüksek hücre gerilimidir. Aktif maddeler ve elektrolitlerdeki gelişmeler enerji yoğunluğunu daha da arttırma potansiyeline sahiptir. Yük karakteristikleri iyidir ve düz deşarj eğrisi, depolanan enerjinin 3,70-2,80V / hücre arzu edilen ve düz voltaj spektrumunda etkili bir şekilde kullanılmasını sağlar.
1994 yılında, 18650 silindirik hücrede Li-iyon bataryanın üretim maliyeti 10 ABD dolarının üzerindeydi ve kapasitesi ise 1100mAh idi. 2001 yılında, fiyat 3 $ ‘ın altına düşerken kapasite 1900mAh’a yükseldi. Bugün, yüksek enerji yoğun 18650 hücreleri 3000mAh’den fazla enerji sağlayabiliyor ve maliyetleri de düşüyor.
Maliyetinin durmadan azalması, artan özgün enerjisi ve içinde toksik malzemenin olmaması, Li-ion’u taşınabilir uygulamalar, ağır sanayi, elektrik aktarma organları ve uydular için evrensel olarak kabul edilen bir batarya haline getiren için yolu açtı.
18650 silindirik hücre 18 mm çapında ve 65 mm uzunluğundadır. (Bkz. Piller-301: Eski ve Yeni Pil Ambalajlarına bir bakış.)
Li-ion, az bakım gerektiren bir bataryadır, ve bu da diğer pek çok batarya bileşiminin iddia edemeyeceği bir avantajdır. Pilin hafızası yoktur ve iyi durumda kalması için arada sırada tam bir deşarj yapılmasını gerektirmez. Kendi kendine deşarjı nikel bazlı sistemlerindeki oranın yarısından daha azdır.
3,60V’luk nominal hücre voltajı, cep telefonlarına, tabletlere ve dijital kameralara doğrudan güç verebilir ve çok hücreli batarya tasarımlara göre basitleştirmeler ve maliyet azaltmaları sunar. Dezavantajları, yüksek fiyatın yanı sıra kötü kullanımı önlemek için koruma devrelerine ihtiyaç duyulmasıdır.
Lityum İyon Batarya Çeşitleri
Lityum iyon iletken olarak bir katot (pozitif elektrot), bir anot (negatif elektrot) ve elektrolit kullanır. (Boşalmış bir pilin anodu negatif ve katodu pozitiftir (bakınız Piller-104b: Pil Yapı Taşları). Katot metal oksittir ve anot gözenekli karbondan oluşur. Deşarj sırasında iyonlar ayırıcı ve elektrolitten geçerek anottan katoda doğru akar. Şarj bu akışın yönünü tersine çevirir ve iyonlar katottan anoda akar Şekil 1 bu işlemi göstermektedir.
|Şekil 1: Lityum-iyon pilde iyon akışı.|
Hücre şarj ve deşarj olduğunda, iyonlar katot (pozitif elektrot) ve anot (negatif elektrot) arasında gider gelir. Deşarj sırasında, anot oksidasyona veya elektron kaybına uğrar ve katot elektronlarda bir azalma veya kazanç görür. Şarj işlemi hareketi tersine çevirir.
Li ion bataryaların birçok çeşidi vardır, ancak hepsi ortak bir tanımı kullanır – “lityum-iyon”. İlk bakışta çarpıcı bir şekilde benzer olmalarına rağmen, bu bataryalar performans bakımından farklılık gösterir ve aktif malzeme seçimi onlara benzersiz özellikler verir. (Bkz. Piller-205: Li-ion-iyon tipleri.)
Sony’nin orijinal lityum iyon pili anot olarak kok (kömür ürünü) kullandı. 1997’den bu yana, Sony dahil olmak üzere çoğu Li iyon üreticisi, daha düz bir deşarj eğrisine ulaşmak için grafite geçti. Grafit, uzun süreli döngü stabilitesine sahip olan ve kurşun kalemlerde kullanılan bir karbon şeklidir. En yaygın karbon malzemesidir, bunu sert ve yumuşak karbonlar takip eder. Nanotüp karbonları, performansı karıştırma ve etkileme eğiliminde oldukları için henüz Li-ion bataryalarda ticari kullanım alanı bulamamıştır.
Yeni katkı malzemeleri arayışında Li-ion bataryaların performansını arttıracağı düşünülen madde ise grafendir.
Şekil 2, ve erken kok versiyonlu modern bir grafit anotlu Li-iyonun ve daha önceleri denenen ve kok (kömür) anotlu Li-iyonun gerilim deşarj eğrisini göstermektedir.
|Şekil 2: Lityum iyonun voltaj deşarj eğrisi.Bir bataryanın kullanılabilir deşarj aralığında düz bir voltaj eğrisi olmalıdır. Modern grafit anot bunu önceki kok (kömür) versiyonundan daha iyi yapar.|
Grafit anodun performansını arttırmak için silikon bazlı alaşımlar da dahil olmak üzere çeşitli katkı maddeleri denenmiştir. Tek bir lityum iyonuna bağlanmak için altı karbon (grafit) atomu gerekir; tek bir silikon atomu dört lityum iyonuna bağlanabilir. Bu, silikon anodun teorik olarak grafit enerjisinin 10 katından fazlasını depolayabileceği, ancak şarj sırasında anodun genişlemesinin bir sorun olduğu anlamına gelir. Bu nedenle saf silikon anotlar pratik değildir ve iyi bir çevrim ömrü elde etmek için genellikle silikon bazlı anoda sadece yüzde 3-5 silikon eklenir.
Nano yapılı lityum-titanatı anot katkısı olarak kullanmak, umut verici bir çevrim ömrü, iyi yük kapasitesi, mükemmel düşük ısı performansı ve üstün güvenlik ortaya koyar, ancak hem özgün enerjisi düşüktür hem de maliyeti yüksektir.
Katot ve anot için çeşitli materyaller ile deney yapılması üreticilerin yapısal nitelikleri güçlendirmesine izin verebilir, ancak bir geliştirme diğer bir özelliği tehlikeye atabilir. “Enerji Hücresi”, uzun çalışma zamanlarını ancak daha düşük özgün güçte elde etmek için özgün enerjiyi (kapasiteyi) optimize eder; “Güç Hücresi” olağanüstü özgün güç sunar ancak daha düşük kapasitelidir. “Hibrit Hücre” ise bu yapılar arasındaki bir uzlaşmadır ve her ikisinden de birazını sunar. (daha fazla bilgi: Piller-501 Deşarj Hakkında Temel Bilgiler.)
Üreticiler, daha pahalı kobalt yerine nikel ekleyerek nispeten yüksek bir özgün enerji ve düşük maliyete erişebilirler, ancak bu, hücreyi daha az kararlı hale getirir. Üreticiler yeni üretilen bir batarya bileşiminin pazarda hızlı bir şekilde kabul görmesi için yüksek özgün enerjiye ve düşük fiyata odaklanabilirken, bunun karşılığı olarak güvenlik ve dayanıklılıktan ödün veremez. Saygın üreticiler güvenlik ve uzun ömürlülük konusunda çok iyi bir sicile sahiptirler. Tablo 3, Li-iyonun avantajlarını ve sınırlamalarını özetlemektedir.
|Avantajlar|
|Sınırlamalar|
Tablo 3: Li ion pillerin avantajları ve sınırlamaları.