İyonik Lityum Piller

İyonik lityum piller başlangıçta daha pahalıdır, ancak kurşun asit pillerden iki veya üç kat daha uzun ömürlüdür ve sıfır bakım veya temizlik maliyeti gerektirir - ayrıca çok daha hızlı şarj olurlar ve Bluetooth özelliklidirler, böylece pil ömrünün ne kadar kaldığını her zaman tam olarak bilirsiniz.

Anot malzemeleri pil performansında kritik bir rol oynar. Grafit, düşük interkalasyon voltajı ve üstün çevrim davranışı nedeniyle genellikle bu rol için seçilir.

Malzemeler

Bir anot ve katot, lityum pilin temel unsurlarıdır, çünkü her biri oksidasyon sırasında elektron kaybına katkıda bulunurken, diğeri indirgeme sırasında elektron kazanımı için bir anot görevi görür. Malzemeleri, pilin hem voltajını hem de kapasitesini belirler.

Akü elektrotları için kullanılan ve her biri kendi avantaj ve dezavantajlarını sunan çeşitli malzemeler vardır. Bazı malzemeler daha pahalı olsa da, hammadde maliyetinin tek başına akü maliyetlerini belirlemediğini unutmamak önemlidir; diğer önemli faktörler arasında güvenlik endişeleri, üretim maliyeti tahminleri ve çevresel hususlar yer alır.

Şu anda çoğu ticari Li pilleri, anotları ve katotları için sırasıyla birinci sıra geçiş metalleri içeren oksitlerden veya fosfatlardan oluşan anot ve katot malzemeleri kullanmaktadır. Bu tür hafif malzemeler yüksek özgül kapasitelere ve enerji yoğunluklarına sahip olsa da, lityum iyonlarını depolama süreçlerinin kendine özgü zorlukları vardır; örneğin grafit anotlar, 2D karbon kafes yığın grafit katmanları arasında interkalasyon yaparak lityumu depolar; ancak bu, şarj/deşarj ve deşarj döngüleri sırasında fiziksel hacim genişlemesine neden olur ve bu da zamanla performansın düşmesine ve hatta hücre performansının düşmesine neden olur.

Araştırmacılar bu sorunu hafifletmek için anot olarak çeşitli alaşım malzemeleri araştırmaktadır. Silikon, germanyum ve antimon gibi malzemeler lityum iyonlarıyla reaksiyona girerek grafite kıyasla çok daha fazla lityum depolayan alaşımlar oluşturur; dendrit oluşturan malzemeler de şarj/deşarj sırasında önemli ölçüde hacim genişlemesi yaşar, ancak tipik olarak elektrotlarda daha düşük stres sergilerler, bu da pil döngüsü ömrünü uzatırken bozulmayı azaltmaya yardımcı olur.

Bu malzemeler tipik olarak ince toz haline getirilir ve alüminyum (anot) ve bakır folyo (katot) gibi metal folyo parçaları üzerine kaplanmadan önce bir elektrot bulamacı oluşturmak için bağlayıcılar ve çözücülerle karıştırılır, kaplamalarını sabitlemek ve kalan çözücüleri gidermek için bir fırında kurutulur ve pillerde kullanıma hazır hale getirilir.

Şarj/Deşarj Döngüleri

Lityum-iyon piller, dizüstü bilgisayarlar ve cep telefonlarından elektrikli arabalara ve evlere kadar günlük hayatımızın birçok yönüne güç sağlamaktadır. Yüksek enerji yoğunlukları, hafif yapıları, uzun şarj döngüleri ve çeşitli sıcaklıklarda güvenli çalışmaları nedeniyle popülerlikleri hızla artmaktadır. Ancak lityum-iyon pillerin sınırlı ömürleri vardır; bir noktada şarj depolama kapasiteleri tamamen azalabilir ve tükenmeye neden olabilir - sıcaklık, deşarj oranının derinliği ve şarj/deşarj döngülerinin sıklığı gibi faktörlere bağlı olarak çalışma süreleri sonunda tükenecektir.

Lityum-iyon aküler, yanıcı veya zehirli maddeler içermemeleri ve lityum iyonlarını anot ve katotlarına (her ikisi de elektrik enerjisinin verimli bir şekilde depolanması için grafit malzemeden yapılmıştır) bağlayan etilen ve propilen karbonatlar gibi organik karbonatlardan oluşan sulu olmayan bir elektrolit çözeltisi içinde kapatılmış olmaları bakımından geleneksel kurşun-asit akülerden önemli ölçüde farklıdır.

Lityum-iyon piller şarj edilirken, tam şarj durumunu gösteren bir voltaj eşiğine ulaşana kadar akımları hızla artar. Bu gerçekleştiğinde, akım seviyeleri nominal değerlerinin yüzde 3'üne düşmeye başlar ve sonunda doygunluk aşaması gerçekleşerek kendi kendine deşarj olur.

Daha derin deşarjlar akü döngü ömrünü azaltırken, daha sığ deşarjlar iyileştirir. Ayrıca, bir akünün bakımının nasıl yapıldığı da kullanım ömrü üzerinde etkilidir: optimum DoD seviyeleri, çalışma sıcaklıkları ve C oranları döngü ömrünü önemli ölçüde uzatabilir.

Lityum-iyon piller tipik olarak 4.20V/hücre voltaj eşiğine sahiptir, bu da onları cep telefonları ve dijital kameralar gibi tüketici cihazları için uygun hale getirir. Uydular ve elektrikli araçlar da dahil olmak üzere endüstriyel uygulamalar, daha uzun çalışma sürelerine izin vermek için genellikle daha düşük eşikler kullanır. Ayrıca, birçok lityum-iyon pil, voltajlarının ayarlanan sınırı aşmasını önlemek için koruma devreleri içerir.

İdealin üzerinde bir lityum iyon akü voltajının korunması, hücrelerini zorlar ve ömrünü kısaltarak bu hayati kaynaklar üzerindeki baskıyı artırır. Bu kırılgan piller üzerindeki stresi en aza indirmek için, yavaşça şarj etmeden önce periyodik olarak yaklaşık 50% kapasiteye kadar boşaltmak, hücreler üzerindeki stresi azaltabilir ve kullanım ömürlerini uzatabilir.

Güvenlik

Lityum-iyon bataryalar çok sayıda tüketici elektroniğine ve elektrikli araca güç sağlar, ancak arızalandıklarında yangınlara da neden olabilirler. Yangınlar, elektrolit içindeki lityumun neden olduğu dahili kendi kendine ısınma reaksiyonlarından kaynaklanır, bu da termal kaçağa yol açar ve zamanla pili bozabilir, aşırı ısıtabilir ve hatta patlatabilir. Bu tür reaksiyonların şiddeti, boyutuna, yapısına ve kimyasına bağlıdır - tıpkı bunlardan kaynaklanabilecek herhangi bir potansiyel patlama gibi.

Lityum-iyon batarya arıza oranları zaman içinde azalmaktadır, ancak yine de yangınlara karşı hassas olmaya devam etmektedirler. Hasar, kaba kullanım, yanlış şarj prosedürleri veya uzun süre yüksek sıcaklıklara maruz kalmadan kaynaklanabilir; üretim kusurları da yapısal bozulmaya ve tutuşmaya neden olabilecek dahili kısa devre sorunlarına katkıda bulunur.

Uçak, denizaltı veya gemi gibi kapalı ortamlardaki batarya yangınları özellikle yıkıcı olabilir; aslında en kötü vakalardan bazıları bu koşullar altında gerçekleşmiştir; örneğin lityum-iyon yardımcı bataryanın uçakta kendiliğinden tutuşması nedeniyle düşen UPS kargo uçağı gibi.

Modern lityum-iyon piller yangın risklerini önemli ölçüde azaltmış olabilir, ancak güvenlik özellikleri tüm termal kaçak vakalarını önleyemez. Bir hücredeki 200.000'de bir hata, mikroskobik metal parçacıklarının temas etmesine ve hiçbir güvenlik devresinin etkinleştirildikten sonra durduramayacağı hızlı bir sökülmeye yol açmasına izin verebilir.

Lityum-iyon pillerin şarj edilmesiyle ilgili riskleri azaltmak için tüketiciler yalnızca lityum-iyon pilleri güvenli bir şekilde şarj etmek için özel olarak tasarlanmış şarj cihazlarını kullanmalı ve kullanım, saklama ve imha ile ilgili tüm üretici talimatlarına uymalıdır. Müşteriler, tuhaf bir koku yayan, aşırı ısınan, aniden şekil değiştiren, sızıntı yapan, duman çıkaran veya başka arıza belirtileri gösteren cihazları ve pilleri kullanmayı bırakmalıdır. Pil güvenliğini nasıl sağlayabileceğinizi anlamak için yeni kamu spotumuzu izleyin! Aşırı ısınmış bir lityum pilin neden olduğu bir NYC e-bisiklet yangınını içeriyor. Ayrıca, NFPA'nın e-bisiklet ve e-scooter akü güvenliği web sayfasında, farkındalığın yayılmasına yardımcı olacak yerel medya kuruluşları için önceden yazılmış basın bültenleri ile ek bilgiler ve güvenlik ipuçları bulunabilir.

Uygulamalar

Lityum-iyon piller, dizüstü bilgisayarlar ve cep telefonlarından hibrit ve elektrikli arabalara kadar modern elektronik cihazların vazgeçilmez bir bileşeni haline gelmiştir. Bu hafif piller sadece daha kullanışlı olmakla kalmıyor, aynı zamanda daha yüksek enerji yoğunluğu (sahip oldukları bir gram lityum başına elektrik yükü miktarı) sunuyorlar.

Lityum-iyon piller performanslarını, anot ve katot elektrotları arasında hareket eden lityum iyonları için bir aracı görevi gören çözücüler, katkı maddeleri ve tuzlardan oluşan bir elektrolit çözeltisine borçludur. Elektrotlar arasındaki gözenekli plastik ayırıcı, lityum iyonlarının deşarj veya yeniden şarj sırasında doğrudan çarpışarak pili kısa devre yapmasını ve deşarj ve yeniden şarj döngülerinin gereksiz yere kısa devre yapmasına neden olmasını önleyen ek bir fiziksel bariyer görevi görür.

Grafit, düşük interkalasyon voltajı nedeniyle uzun zamandır lityum-iyon piller için anot malzemesi olarak kabul edilmektedir, bu da kapasiteyi ve döngü stabilitesini artırırken döngü stabilitesini de korumaktadır. Yine de daha fazla enerji depolayabilen daha sağlam malzemeler bulmak için araştırmalar devam etmektedir.

Bu aküler, alarm sistemleri veya güvenlik kameraları gibi kritik ekipmanların gerektiğinde çalışmaya devam edebilmesini sağlamak için sıklıkla kullanılır. Gerektiğinde anlık güç sağlayan bu aküler, kablolu elektrik kaynaklarına olan ihtiyacı ortadan kaldırır ve cihazların gerektiğinde her zaman güce sahip olmasını sağlar.

lityum-iyon aküler tekerlekli sandalye ve scooter gibi hareket yardımcılarına güç sağlamak için de kullanılabilir. Bu yardımcıların uzun süre işlevsel kalması gerektiğinden, akülerinin tek bir şarjla uzun süre dayanabilmesi gerekir. Saygın bir tedarikçi yalnızca sıkı güvenlik, dayanıklılık ve çevrim ömrü testlerinden geçirilmiş lityum iyon aküleri satacaktır.

Lityum piller, acil durum ışıkları ve tıbbi cihazlar da dahil olmak üzere birçok elektronik cihaza ve sisteme güç sağlayabilir. Lityum aküler özellikle kablolu güç kaynaklarına erişimin zor veya imkansız olabileceği uzak veya geçici yerlerde faydalıdır; ayrıca kurşun-asit muadillerine göre daha yüksek sıcaklık toleransına sahiptirler ve daha uzun süre dayanırlar.