Lityum İyon Piller Temiz Enerjiye Geçişte Kilit Bir Teknoloji

Lityum aküler enerjiyi verimli bir şekilde depolar, bu da onları elektrikli veya eğlence amaçlı araçlarda kullanım için mükemmel bir seçim haline getirir. Lityum aküler ayrıca zaman içinde son derece yüksek bir şarj seviyesini korur.

Lityum iyonları elektrolit aracılığıyla anottan katoda akarken, popüler anot malzemeleri karbon ve silikonu içerir; katotlar spinel, nikel kobalt manganez veya lityum demir fosfat gibi metal oksitlerden oluşur.

1. Enerji depolama

Lityum-iyon piller yakın tarihin en büyük etkilerinden birine sahip olmuştur; e-mobilite devriminin yolunu açmışlardır ve şimdi temiz enerji geçişlerinin temel sağlayıcıları olarak hizmet vermektedirler. Kullanımları, dizüstü bilgisayarlar ve cep telefonları, elektrikli arabalar/plug-in hibridler/ev enerji depolama sistemleri vb. gibi genişleyen bir tüketici taşınabilir elektronik yelpazesine güç vermektedir.

Piller beş ana unsurdan oluşur: bir anot, katot, elektrotlar arasındaki ayırıcı, elektroliz yoluyla lityum iyonlarını taşıyan elektrolit çözeltisi ve kablolara bağlantı için bakır ve alüminyumdan yapılmış akım toplayıcılar. Şarj olurken, harici bir güç kaynağı elektronları pozitif elektrotlardan negatif elektrotlara doğru zorlayan ve lityum iyonlarını elektroliz yoluyla anot ve katot arasında hareket ettiren bir aşırı gerilim voltajı uygular; deşarj tersine gerçekleştiğinde: lityum iyonları bir elektrodu terk eder ve elektrotlar arasında interkalasyona uğrarken, serbest elektronlar cihazlarımıza güç sağlayan akımı sağlayan teller aracılığıyla dışarı akar.

Bir anot çeşitli malzemelerden oluşabilir, ancak grafit ve lityum kobalt oksit en popüler anot malzemelerinden ikisidir. Katotlar tipik olarak nikel-kobalt-alüminyum veya lityum demir fosfat gibi metallerden oluşur; kimyasal yapıları nihai olarak pil performansını belirler: örneğin, nikel-kobalt-alüminyum daha uzun çevrim ömrü sağlarken, lityum demir fosfat daha uygun maliyetli olabilir.

Şu anda, LiB üretim maliyetlerinin çoğu elektrot üretimi ve hücre son işlemlerine ayrılmıştır - en çok zaman ve enerji gerektiren iki süreç; toplamda yaklaşık 40% pil kapasitesi kullanmaktadırlar. Ancak hammadde maliyetlerinin düşmesi ve üretim kapasitesinin artmasıyla LiB fiyatlarının zaman içinde düşmeye devam etmesi beklenmektedir.

2. Güvenlik

Yanıcı sıvı elektrolitleri nedeniyle, yanlış tasarlanmış ve üretilmiş lityum piller hasar gördüklerinde veya yanlış şarj edildiklerinde güvenlik tehlikesi oluşturmakta ve potansiyel olarak yangınlara veya patlamalara yol açmaktadır. Bu riski azaltmak için tasarım ve üretimlerini iyileştirmeye yönelik çok sayıda çalışma yapılmıştır; lityum-iyon teknolojisi, elektrolit içermeyen katı hal pilleri oluşturmak için de kullanılmaktadır.

Lityum-iyon piller, şarj edilebilir pil türleri arasında son derece yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmalarıyla öne çıkar; yani daha küçük hücreler daha büyük pillerle aynı miktarda güç sağlayabilir - telefonlar ve dijital kameralar gibi taşınabilir cihazlar, elektrikli araçlar, eğlence araçları ve hafif kalırken verimli güç gerektiren diğerleri için idealdir.

Bu tip pillerin en büyük avantajı hafıza etkisinden etkilenmemesidir; bu nedenle zamanla daha az verimli hale gelmesinden endişe etmeden tam kapasitesini kullanabilirsiniz. Bununla birlikte, kimyasının ısıyı çok iyi tolere etmediğini unutmayın, bu nedenle yüksek sıcaklıklarda saklamak onarılamaz hasara neden olabilir.

Bu nedenle, batarya paketinize en iyi nasıl bakacağınızı ve ömrünü nasıl uzatacağınızı öğrenmek için kullanım kılavuzunu dikkatlice okumanız çok önemlidir. Genel olarak, serin tutmak ve aşırı şarj etmemek pil ömrünü en üst düzeye çıkaracak ve optimum performans sağlayacaktır.

3. Hafif ağırlık

Nikel-kadmiyum ve daha sonra nikel-metal hidrit piller, 1990'ların başında lityum-iyon alternatif bir teknoloji olarak ortaya çıkana kadar 100 yılı aşkın bir süre boyunca cep telefonlarından dizüstü bilgisayarlara kadar taşınabilir elektronik cihazlar için standart tercih olmuştur. Lityum-iyon hücreler öncekilerden daha hafif ve daha güçlüdür, aynı zamanda iki kat enerji yoğunluğuna sahiptir ve 3.6V'da şarj/deşarj edebilme özelliğiyle tek hücreli pil paketlerinin tasarlanmasına olanak sağlar.

Lityum piller dizüstü bilgisayarlarda, elektrikli araçlarda ve akülü elektrikli aletlerde bulunabilir. Lityum piller hızlı şarj ve deşarj oldukları için harika güneş enerjisi depolama çözümleri sunarlar - ayrıca UPS sistemleri veya acil durum güç kaynakları gibi harika yedek güç çözümleri oluştururlar.

Sıcaklık ve kullanım şekilleri lityum iyon pil ömrü üzerinde etkili bir etkiye sahiptir, buna ısıya maruz kalmanın neden olduğu bozulma ve sık sık aşırı şarj etme de dahildir. Isı bozulmayı hızlandırırken, sık sık aşırı şarj etmek bozulmayı daha da hızlandırır; lityum iyon piller asla uzun süre aşırı sıcaklıklara maruz bırakılmamalıdır.

Her biri kendi avantaj ve dezavantajlarını sunan çeşitli lityum-iyon pil türleri vardır. Uygulamanız, bütçeniz ve güvenlik toleransınız, hangi lityum pil türünün ihtiyaçlarınızı en iyi şekilde karşılayacağını belirlemenize yardımcı olacaktır. En yaygın dört pil türü LiCoO2, LiNMC, LiMnPO4 ve Lityum Polimer pilleri içerir - her biri kendi farklı kimyasını sunarken, elektrik enerjisini depolamak için lityum iyonları kullanmak, elektrotları birbirinden korumak için bir yalıtım tabakası ile korunmak ve LiCoO2 gibi bir anot malzemesi ile korunmak gibi temelleri paylaşır; LiNMC, hem yüksek özgül enerji hem de mükemmel stabilite sunan manganez ve nikel kombine katotlar kullanır - her biri uygun maliyetlerle yüksek özgül enerji performansı sunar!

4. Çevre dostu

Lityum iyon piller, ulaşım ve elektrik sektörlerimizin fosil yakıtlardan yenilenebilir enerji kaynaklarına geçişinde vazgeçilmez bir teknolojidir. Uzun pil ömrü, yüksek enerji yoğunluğu ve hızlı şarj özelliği, lityum iyon pilleri elektrikli araçlara, elektrikli aletlere veya dizüstü bilgisayarlara güç sağlamak için ideal hale getirirken, tüketiciler arasında enerji kullanımı konusunda farkındalığı artırmaktadır.

Lityum iyon piller birçok çevresel avantaj sunabilir, ancak üretimleri ve bertarafları hala çevresel etkiler yaratmaktadır. Lityum iyon piller yanıcı sıvı elektrolit içermekte olup, uygunsuz bir şekilde bertaraf edilmeleri halinde çevreye toprak ve su kalitesini tehdit eden toksik maddeler salınabilir; uygunsuz bir şekilde atıldıklarında da çöplüklerde ve pil geri dönüşüm tesislerinde yangınlara neden olabilirler.

Lityum-iyon pillerin üretimi, hammaddelerinin yeryüzünden çıkarılması ve madenciliği nedeniyle muazzam bir karbon ayak izi bırakmaktadır; örneğin çıkarılan her bir ton için 15 ton CO2 açığa çıkaran sert kaya madenciliği gibi. Ayrıca, bu minerallerin çıkarılması büyük miktarda enerji gerektirmektedir ve bu da esas olarak fosil yakıtların çıkarma amacıyla yakılmasından kaynaklanmaktadır.

Lityum, nikel, kobalt, grafit ve alüminyum folyo gibi madenden çıkarılan pil bileşenleri de iklim değişikliğine katkıda bulunan sera gazı emisyonları üretirken, bunların nakliyesi ve teslimatı gezegenimizin karbon ayak izine daha fazla karbon emisyonu eklemektedir.

Lityum-iyon piller kullanım ömürlerinin sonuna geldiklerinde elektronik atık (e-atık) haline gelirler. Ne yazık ki, birçoğu düzgün bir şekilde geri dönüştürülmüyor - genellikle ticari atık akışlarında ve çöp sahalarında son buluyorlar; burada yanlışlıkla kısa devre yapabilirler veya hasat amacıyla küçük değerli parçaları toplamak için güvenli olmayan bir şekilde sökülebilirler. Bu durum genellikle iklim değişikliğine daha fazla katkıda bulunan yangınlara yol açmaktadır.

5. Geri dönüştürülebilir

Lityum piller aynı zamanda nikel, kobalt ve bakır gibi diğer metallerin yanı sıra, atıldıklarında su yollarına toksik sızıntı yapabilen ve atık işleme merkezlerine atıldıklarında yangınlara neden olabilen organik kimyasallar ve plastikler de içerir; Birleşik Krallık Çevre Hizmetleri Birliği, 2019 ve 2020 yılları arasında yalnızca atık işleme merkezlerinde 250 pil yangını rapor etmiştir! Ayrıca, lityum piller ezildiklerinde veya delindiklerinde güvenlik riskleri oluştururlar - bu eylemler katotlarına kısa devre yaptırarak içten yanmaya yol açabilir - Avrupa Çelik Geri Dönüşümcüleri Konferansına göre bu yangınların 90%'si küçük lityum pillerden kaynaklanmıştır!

Mevcut istatistikler, dünya çapında pillerin yalnızca yüzde beşinin geri dönüştürüldüğünü ortaya koymaktadır; birçoğu basitçe atılmakta veya doğrudan çöplüklere gönderilmektedir. Bunun bir nedeni, tipik olarak 22% kobalt, 5-10% nikel ve 5-7% lityum içeren lityum-iyon piller gibi karmaşık bileşimleri olabilir; ayrıca içlerinde 15% organik kimyasal ve 7% plastik bulunabilir.

Lityum pillerin geri dönüşümü teknik olarak mümkün olsa da, bu süreç pahalı ve zaman alıcıdır, ayrıca etkisizdir; bir enerji depolama uzmanı, gerçekten etkili olabilmeleri için şu anda sahip olmadığımız yüksek saflıkta hammaddelere ihtiyaç duyduklarını açıklamaktadır.

PNNL, lityum pillerin geri dönüşümünü daha ucuz hale getirmeye yönelik önemli bir adım olarak EOL pillerin parçalanmasını ve toz haline getirilmesini içeren çığır açan bir süreç geliştirdi. Hidrometalurjik ve pirometalurjik tekniklerin kullanılarak eski pillerdeki metallerin yenileri için hammadde olarak kullanılmak üzere geri kazanılması, gelecekte arz kısıtlamalarıyla karşılaşabilecek nadir toprak minerallerine veya metallerine olan talebi azaltabilir.

Malzeme döngüselliği özünde, bataryaların ilk olarak bir elektrikli araçta kullanıldıktan sonra geri dönüştürülerek tekrar üretim süreçlerine dahil edildiği sonsuz bir döngü yaratılması anlamına gelmektedir.