Lityum Araç Aküsü Yapımında Kullanılan Malzemeler

Elektrikli araçların (EV) hızla yaygınlaşması, lityum pillerin üretiminde kullanılan hammaddelere olan talebi artırmış ve bu hammaddelerin işlenmemiş minerallerden elde edilmesini gerektirmiştir - bu durum hem çevresel hem de sosyal kaygılara yol açmaktadır.

Lityum pil kimyaları, ne kadar enerji depolayabilecekleri ve kaç kez şarj edilebilecekleri açısından farklılık gösterdiğinden, özel uygulamanız için birini seçmek çok önemlidir.

Lityum-iyon kimyası

Lityum-iyon piller, cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar gibi tüketici elektroniğinde hızla tercih edilen teknolojilerden biri haline geldi ve hibrit otomobillerde de kullanımı giderek yaygınlaşıyor. Yüksek enerji yoğunlukları, geleneksel batarya teknolojilerine kıyasla daha küçük alanlarda daha fazla miktarda güç depolanmasını sağlar.

Li-ion piller de belirli güvenlik kuralları dahilinde kullanıldığında güvenli bir şekilde çalıştırılabilir. Yangın riski lityum metal pillere göre daha düşük olsa da, yanlış kullanım yine de tehlikelere yol açabilir.

Lityum-iyon piller, lityum iyonlarının anot ve katotlar arasında ileri geri hareket ederek her ikisini de saran etilen karbonat veya propilen karbonat gibi sulu olmayan çözücülerden oluşan bir elektrolit çözeltisi oluşturmasıyla interkalasyon ve ekstraksiyon yoluyla çalışır. Lityumun suya olan güçlü yakınlığı nedeniyle bu bataryaya asla nem girmemelidir.

Deşarj, lityum iyonlarının anottan bir elektrolit çözeltisine geçmesi ve burada elektrik akımı ile bağlandıkları yerlerden serbest bırakılmaları ve ardından anot ile olan bağlarından kurtulmaları ve böylece elektronların harici kablolar üzerinden serbestçe akarak iş yapabilmeleri ile gerçekleşir.

Lityum-iyon aküler, iyi enerji verimliliği ve yüksek güç-ağırlık oranı, düşük kendi kendine deşarj oranı, uzun hizmet ömrü ve taşınabilir tasarım dahil olmak üzere benzerlerine göre birçok avantaj sunar. Lityum kobalt oksit teknolojisi, lityum-iyon araç akülerinde alternatiflerine göre daha yüksek enerji yoğunluğu sağlar.

Elektrolit

Elektrolitler, vücudumuzun hidrasyon seviyeleri ve hücre fonksiyonlarının yanı sıra yorgunluk, baş dönmesi ve baş ağrılarının önlenmesi gibi genel sağlık yararları için gerekli olan hayati minerallerdir. Elektrolit eksikliği, yaşamı önemli ölçüde etkileyen ve günlük rutinleri derin şekillerde bozan dehidrasyona bile yol açabilir.

Lityum-iyon piller, su reaksiyonlarından kaçınmak ve elektrotlarını bozulmaya karşı korumak için sulu olmayan elektrolitlere güvenir. Genellikle etilen karbonat veya propilen karbonat gibi organik karbonatlar ile lityum iyonlarını çözelti içinde bağlayan kompleksler içerirler; bu sıvı elektrolit daha sonra iyonların anot ve katot elektrotları arasında hareket etmesini sağlayarak elektrik enerjisi üretir.

Lityum iyonları deşarj sırasında elektrolit boyunca anottan katoda doğru hareket ederken, elektronlarını katottan aktaran bir ekleme veya interkalasyon sürecinden geçerler. Bu, hücrenin dış devresinde depolanan bir kimyasal enerji çıkışı yaratır; şarj sırasında aynı iyonlar elektronlarıyla yeniden birleşerek elektrik oluşturur.

Dinca ve ekibi, sodyum veya magnezyum gibi daha az kobalt içeren alternatif pil malzemeleri geliştirmek için çalışıyor. Bu tür piller, pilleri daha hafif ve daha ucuz hale getirerek tüketiciler için daha cazip hale getirebilir. Kobalt içermeyen piller daha iyi çevrim ömrüne, geri dönüştürülebilirliğe sahip olmalı ve hatta taşınması ve depolanması kobalt olanlara göre daha güvenli olabilir.

Katot

Katot, lityum pillerin temel bileşenlerinden biridir. Bir elektrik iletkeni olarak hareket ederek, deşarj/şarj işlemleri sırasında lityum iyonlarının anot ve katot arasında hareket etmesini kolaylaştırır. Katotlar, lityum geçiş metal oksitleri, vanadyum oksitleri, manganez bazlı oksitler veya lityum fosfatlar gibi deşarj/şarj döngüleri sırasında lityum iyonlarının tersinir interkalasyonuna/de-interkalasyonuna izin veren farklı malzemelerden oluşabilir.

Anot, hücre deşarjı sırasında elektronların harici bir devreye boşaltılmasından sorumlu olan negatif bir elektrottur. Tersine, katotlar pozitif elektrotlarında elektrokimyasal bir indirgeme reaksiyonunda pozitif yüklü lityum iyonlarını elektronlarla birleştirir. Elektrolit, lityum iyonlarının ve elektronların anot ve katotlar arasında taşınması açısından bir aracı görevi görür; kendisi elektrokimyasal reaksiyona katılmaz.

Birçok farklı katot malzemesi geliştirilmiştir; mevcut üretimde en yaygın olan üçü LiCoO2, LiMn2O4 ve LiFePO4 olarak özetlenebilir. Her biri lityum-iyon kimyasını kullanır; ancak şarj kapasiteleri ve döngü kararlılıkları modeller arasında farklılık gösterir.

Lityum-iyon piller hem enerji yoğunluğu hem de çevrim ömrü açısından katotlarına bağlıdır, çünkü bu bileşen yüksek iletkenliğe sahip büyük miktarlarda lityum iyonu depolar ve en iyi şekilde çalışması için büyük miktarlarda depolaması gerekir. Direnci daha da azaltmak ve performansı artırmak için karbon siyahı (CB), amorf karbon (AC) veya karbon fiberler (CF) gibi çeşitli iletken katkı maddeleri iletken katkı maddesi olarak eklenebilir; Tablo 2'de bu katkı maddelerinin çeşitli iletken katkı maddelerine sahip çeşitli katot malzemelerinin deşarj kapasiteleri ve döngü performansları üzerindeki sonuçları karşılaştırmalı olarak sunulmaktadır.

Anot

Lityum-iyon pillerin uygulanabilirliği, enerji yoğunluğu ve voltaj aralığı düzenlemesinde önemli bir rol oynayan anotlar ve katotlar olarak da bilinen elektrot malzemeleri tarafından büyük ölçüde belirlenir. Çoğu lityum pil karbon anot ve katot kullanır; ancak araştırmacılar alternatif çözümler araştırmaktadır.

Deşarj, bir anotun lityum iyonlarını interkalasyon yoluyla katoda bırakarak akım ve güç oluşturmasıyla gerçekleşir. Ancak şarj sırasında bunun tersi gerçekleşir. Lityum iyonları interkalasyon yoluyla katoda boşaltılmak yerine, bir elektrolite (dimetil karbonat çözücü içinde süspanse edilmiş lityum tuzlarından oluşur) girerler. Buradan anoda doğru geri giderler ve sonunda bu çözeltiden geri çıkarak devrelerini geriye doğru tamamlarlar.

Standart grafit anotlar, tekrarlanan lityum yerleştirme işleminin parçalanmasına ve kapasite kaybına neden olarak işlevsel LIB hücreleri bırakmaması nedeniyle uzun süreli kullanılamaz. Metal hidroksitler gibi alternatifler önerilmiştir; ancak yüksek interkalasyon gerilimleri bu pillerin enerji yoğunluğunu azaltmaktadır.

Pil malzemeleri konusunda uzman bir şirket olan Amprius, potansiyel çözümlerden biri olarak silikon nanotelleri içine alan silikon kabuklu bir anot geliştirdi. Test amaçlı olarak bir Airbus Zephyr S sahte uydu batarya paketinde test edilen anotun performansı olağanüstüdür: 435 W h/kg'ın üzerinde enerji çıkışı üretirken yüzlerce şarj döngüsüne dayanmıştır.

Elektrot ayırıcı

Ayırıcı, lityum iyon akışına izin verirken pozitif ve negatif elektrotları izole etmeye yarayan lityum pillerin önemli bir bileşenidir. Polietilen veya polipropilen gibi çeşitli poliolefin malzemelerden yapılmış gözenekli bir membran kullanılarak inşa edilen seperatörün boyutu, deşarj sırasında ne kadar akım çekilebileceğini etkilemenin yanı sıra çevrim sırasında kararlılığı da belirler.

Ayırıcının gözenekliliği, lityum iyonlarının elektrotlar arasında serbestçe hareket etmesine izin vermek için yeterli olmalı ve pilin fişi çekildiğinde veya kapatıldığında kapanan geniş gözenek dağılımına sahip olmalıdır; optimum gözenek boyutları 30 ila 100 nanometre arasında değişmektedir. Ayrıca, iletkenliği de yüksek olmalıdır.

Bir separatörün ıslanabilirliği de önemlidir; hücre çalışması sırasında dendrit oluşumu ve SEI büyümesi meydana gelmeden gözeneklerine yeterli miktarda elektrolit emmelidir. Dokunmamış PP, mikro gözenekli tek katmanlı PP, selüloz, cam elyaf, PTFE veya üç katmanlı PP/PE/PP gibi çeşitli ayırıcı malzemeler kullanılabilir; bazıları oksidasyona karşı daha fazla direnç veya elektrolitlerle afinite/ıslanabilirlik gibi gelişmiş özelliklere sahiptir; bu iyileştirmeler pil güvenliği ve uzun ömürlülüğüne önemli ölçüde katkıda bulunur.

Güncel toplayıcılar

Akım toplayıcılar, elektronların katot ve anot elektrotları arasında akmasına izin vererek pilin yüksek enerji yoğunluğuna ulaşmasına yardımcı olan ve güvenlik ve performansı artıran lityum pillerin önemli bir bileşenidir. Elektrotları korozyona uğramadan yüksek çalışma voltajlarına dayanacak şekilde tasarlanmalıdırlar.

Alüminyum ve bakır gibi metaller, nispeten ucuz olmaları ve mükemmel elektrik iletkenlikleri nedeniyle genellikle akım toplayıcı olarak kullanılır, ancak kırılganlıkları mekanik bütünlüğü korumak için büyük kalınlıklar gerektirir.

NREL bilim insanları, enerji yoğunluğunu artırırken akım toplayıcı kalınlığını azaltmanın yeni bir yolunu buldular. Yöntem, lityum pil separatörlerindeki aktif malzemelerin yapıştırıcı ile kaplanmasını içeriyor ve lityum otomobil pillerini daha enerji verimli hale getirmeye yardımcı olacak ince ancak hafif akım toplayıcıları oluşturuyor.

Bilim insanları, akım toplayıcıların kalınlığını azaltırken aynı zamanda elektrokimyasal kararlılıklarını artırmanın yöntemlerini araştırıyor. Karbon bazlı malzemeler, metal olanlara kıyasla daha çevre dostu üretim süreçleri sunuyor ve akım toplayıcı olarak giderek daha fazla kullanılıyor.

Karbon bazlı akım toplayıcılar, daha sert olan muadillerine göre, bataryanın enerji yoğunluğunu ve güç kapasitesini artıracak kadar hafif ve esnek olmak da dahil olmak üzere birçok avantaj sunmaktadır - lityum-iyonun artan popülaritesi göz önüne alındığında giderek daha önemli bir gereklilik haline gelmektedir.