Şarj Edilebilir Lityum Piller Nasıl Çalışır?

Bir pilin bir dizüstü bilgisayara, cep telefonuna veya dijital fotoğraf makinesine takılması, kimyasal reaksiyonlar yoluyla pozitif ve negatif elektrotları arasında elektrik enerjisinin akmasına neden olur ve motorları veya aydınlatma ampullerini çalıştırmak gibi yararlı işlere dönüştürülebilen elektrik enerjisi sağlar.

Lityum piller taşınabilir tüketici elektronik cihazlarımıza güç sağlar ve ayrıca elektrikli arabalarda ve güç depolama uygulamalarında kullanılır.

Maliyet

Şarj edilebilir lityum piller, cep telefonlarından dizüstü bilgisayarlara kadar birçok tüketici ürününün yanı sıra çok sayıda endüstriyel ve konut enerji depolama sistemine güç sağlar. Geleneksel kurşun-asit akülere göre birincil avantajları daha yüksek enerji yoğunluklarıdır; ana mekanizmaları pozitif ve negatif terminaller arasında enerji aktarmak için bir iyon değişim süreci kullanır. Bununla birlikte, iç dirençleri döngü ve yaşla birlikte arttığından, bir batarya yönetim sistemi (BMS) güvensiz bir duruma ulaşmasını önler.

Lityum-iyon aküler kompakt boyutları ve hafiflikleriyle tanınır, bu da onları mobil uygulamalar için mükemmel bir seçenek haline getirir. Matkaplar, testereler ve zımparalar gibi el aletlerinde kullanıldıklarında, şarjlarını kaybetmeden veya değiştirilmeleri gerekmeden uzun süreli kullanım sağlarlar; şarj edilemeyen alternatiflere göre daha çevre dostu olduklarından bahsetmeye bile gerek yok.

Maliyet düşürücü teknoloji, elektrikli araçlara yönelik artan talep ve düşük üretim maliyetleri önemli bir rol oynamıştır. Ancak lityum aküler hala kurşun-asit muadillerinden daha pahalı.

Bu maliyet eşitsizliğine katkıda bulunan faktörlerden biri, lityum-iyon pil üretim hammaddeleriyle ilişkili yüksek maliyetlerdir. Pillerde bulunan iki değerli ve zehirli metal olan lityum ve kobalt, bu pilleri üretmek için dünyanın dört bir yanından elde edilmesi gereken nadir ve maliyetli kaynaklardır. Elektrikli araçlara olan talep arttıkça ve buna bağlı olarak talep düştükçe, lityum fiyatları da düşmelidir; ayrıca yeni pil fabrikaları açılmaktadır ve bu da fiyatları daha da düşürebilir ve sektörü geleneksel içten yanmalı motorlu (ICE) otomobillerle maliyet açısından rekabet edebilirliğe doğru itebilir.

Fiyat değerlendirmelerinde, güvenlik koşullarının kontrol edilmesine yardımcı olan batarya yönetim sistemlerinin (BMS'ler) maliyeti de dikkate alınır. Bir BMS, akülerin çok hızlı şarj olmasını önleyerek uzun vadeli güvenilirliklerinin sağlanmasına ve genel maliyetlerin düşürülmesine yardımcı olabilir.

Şarj edilebilir lityum piller, tüketici ve endüstriyel ürünlerde her yerde bulunmasının yanı sıra genişleyen elektrikli araç (EV) pazarının da temel taşıdır. Çevresel kaygılar ve yakıt verimliliğinin artırılması bu sektörün büyümesini sağladığından, lityum iyon pillere olan talep zaman içinde artmaya devam edecektir.

Güvenlik

Şarj edilebilir lityum piller genellikle taşınabilir tüketici elektroniği, elektrikli araçlar ve güneş enerjisi depolama sistemlerinde bulunur, ancak yanlış kullanıldığında, şarj edildiğinde veya depolandığında yangın tehlikesi oluşturabilir. Hasarlı veya aşırı şarj edilmiş piller aşırı ısınmaya ve patlamaya neden olarak işletmeleri, binaları ve doğal çevreyi tehdit eden yangınlara yol açabilir - bu nedenle NFPA, lityum pillerin güvenli kullanımını teşvik eden çeşitli kaynaklar sunmaktadır.

Lityum piller, lityum kobalt oksitten (LiCoO2) hazırlanmış pozitif elektrotlara ve karbondan yapılmış negatif elektrotlara sahiptir. İyonların bir elektrolit sıvıdan serbestçe geçmesine izin vermek için bu elektrotlar arasında bir ayırıcı bulunur; şarj sırasında LiCoO2'den lityum iyonları elektrik akımı oluşturmak için karbona doğru hareket eder; deşarj sırasında LiCoO2'ye doğru geri hareket ederler, aşırı şarj, mekanik hasar veya aşırı sıcaklıklar nedeniyle bu süreci potansiyel olarak hızlandırırlar.

Lityum-iyon pil yangınları itfaiyeciler için kontrol altına alınması zor olabilir ve hızla yayılarak mülklere, binalara ve doğal çevreye büyük zarar verebilir. Bu nedenle, lityum pillerin uygun şekilde taşınması, kullanılması, depolanması ve şarj edilmesi konusunda çalışanların farkındalığının artırılması çok önemlidir.

Bataryalar yüksek ısı ve nem seviyelerine iyi tepki vermedikleri için iyi havalandırılan alanlarda depolanmalıdır. Ayrıca, yangın risklerini en aza indirmek için büyük lityum pil depoları (elektrik santrallerinde ve elektrikli araçlarda kullanılanlar gibi) halka açık alanlardan ayrı tutulmalıdır.

Her zaman uluslararası kabul görmüş bir test laboratuvarı tarafından onaylanmış lityum pilleri ve şarj cihazlarını tercih edin. Ayrıca, bu pilleri kullanan tüm cihazları yakından takip edin ve garip kokmaları, aşırı ısınma belirtileri göstermeleri, şekillerinin önemli ölçüde değişmesi veya sızıntı ya da duman çıkarmaları durumunda pilleri çıkarın.

Yaşam Beklentisi

Lityum aküler, uygun şekilde şarj edildiğinde ve bakımları yapıldığında genellikle 10 yıldan fazla dayanır. Elektrikli aletler, dizüstü bilgisayarlar, tabletler, elektrikli araçlar ve mobilite yardımcıları için idealdirler, ancak bir lityum pilin gerçekte ne kadar dayanacağı nasıl şarj edildiğine, saklandığına ve kullanıldığına bağlı olacaktır.

Lityum piller serin ve kuru bir ortamda saklanmalı, her kullanımdan sonra yeniden şarj edilmeli ve kullanım ömürlerini uzatmak için 30-50% şarj durumunda (SoC) tutulmalıdır.

Lityum piller, belirli bir voltaj aralığında en iyi şekilde çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Aşırı voltaja maruz kalmak hücreler üzerinde feci sonuçlar doğurabilir, yaşam beklentilerini kısaltabilir ve güvenlik risklerini artırabilir. Önerilen voltaj eşiklerinin ötesinde şarj edildiklerinde, lityum iyonları anotlar üzerinde kontrolsüz bir şekilde birikmeye başlayarak SEI katmanlarının kalınlaşmasına ve kapasitelerin düşmesine neden olur; hatta bazen bu durum hücrelerin yırtılmasına veya patlamasına bile neden olabilir!

Deşarj Derinliği (DoD) lityum pilin uzun ömürlü olmasında önemli bir rol oynar. 50%'nin altında deşarj sadece çalışma süresini kısaltmakla kalmaz, aynı zamanda şarj tutma kapasitesini de engeller.

Lityum pillerin bakımı, dahili bileşenleri aşındırabilecek ve çevrim ömrünü kısaltabilecek aşırı şarjı önlemek için pil tam şarja ulaştığında otomatik olarak kapanan bir şarj cihazı kullanılmasını gerektirir.

Sıcaklıklarını 20-25 santigrat derece arasında tutarak lityum pilin ömrünü olumsuz etkileyebilecek aşırı sıcaklıklardan kaçının; bunu yapmanın, aşırı soğuk veya sıcak koşullar altında çalıştırmaya kıyasla ömürlerini iki kata kadar uzattığı gösterilmiştir.

Uygulamalar

Lityum piller, cep telefonlarına ve dizüstü bilgisayarlara güç sağlamaktan, elektrikli araçlar veya güneş enerjisi depolaması için elektrik sağlamaya veya kalp pilleri gibi tıbbi uygulamalara kadar birçok uygulamaya sahiptir. Lityum piller kurşun-asit pillere göre çok daha hafiftir ve performans veya kapasitede düşüş olmadan uzun süre dayanabilir. Her lityum pil, yapısını oluşturan bir anot, katot, ayırıcı ve elektrolitten oluşur. Lityum iyonları hem anot hem de katot konumlarında depolanırken, pozitif ve negatif akım toplayıcıları elektrolit ile ayrılır. Şarj işlemi gerçekleşirken, pozitif akım toplayıcıdan negatif akım toplayıcıya doğru bir elektrik akımı akar. Lityum iyonları elektrolit boyunca ilerlerken ve serbest elektronları serbest bırakmak için bir anotla etkileşime girerken, bu elektronlar daha sonra çalıştırılan cihazlara akarak elektrik üretmesine neden olur.

Lityum metal piller ilk olarak Akira Yoshino, Stanley Whittingham ve John Goodenough tarafından yaratılmıştır ve lityum metal hücreler olarak bilinirler. Hafiflikleri ve yüksek enerji yoğunlukları nedeniyle bu lityum metal piller, hafif yapıları ve hafif kullanım gereksinimleri nedeniyle hızla popüler hale geldi. Ancak ne yazık ki lityum metal piller, metalin elektrolitle reaksiyona girerek dış elektrot yüzeylerine zarar verebilecek dendritler oluşturması ve nihayetinde zamanla anodun bozulmasına yol açması nedeniyle dikkatli bir şekilde kullanılmalıdır.

Grafit anotlar, lityum pillerde bulunan birincil anot türüdür ve lityum iyonlarını yığın grafit yapısındaki karbon katmanları arasında depolamak için interkalasyon kullanır. Bu, lityum iyonlarının depolama amacıyla yapısındaki karbon katmanları arasına yerleştirilmesine olanak tanıyarak farklı boyut ve şekillere sahip şekilli anotlara izin verir; şarj/deşarj döngüleri sırasında kapasiteyi artırmak için lityum ile alaşım oluşturan silikon anotların aksine.

Araştırmacılar, lityum pillerin kapasitesini artırmak için grafit anotlardan daha fazla lityum iyonu depolayabilen yeni malzemeler keşfediyor, ancak bu yeni malzemelerin dahil edilmesi önemli bir çalışma ve araştırma gerektiriyor, çünkü tam hücreli kimya pillerinin oluşturulması, aylar sürebilecek ve finansal olarak maliyetli olabilecek çok sayıda optimizasyon ve geliştirme aşaması gerektiriyor.