Lityum pil nasıl çalışır?

Bir lityum pilin nasıl çalıştığını bilmek bugün önemli bir şey, çünkü bu piller dizüstü bilgisayarlardan mobil cihazlara ve diğer birçok teknoloji aletine kadar her türlü cihazı işgal etti. Bu nedenle, bu makaleyi nasıl çalıştıklarını incelemeye ayıracağız.

Pil nedir?

Pil veya elektrik akümülatörü olarak da bilinen bir elektrik pili, içinde bulunan kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürme kapasitesine sahip elektrokimyasal hücrelerden oluşan bir cihazdır. Bu sayede piller doğru akım üretir ve boyutlarına ve güçlerine göre çeşitli elektrik devrelerine güç sağlamak için kullanılır.

Bir pilin şarj kapasitesi, bileşiminin doğası tarafından belirlenir ve amper-saat (Ah) veya watt-saat (Wh) cinsinden ölçülür ve bu, bir saat boyunca sağlayabileceği akım miktarını gösterir. Şarj kapasitesi ne kadar yüksek olursa, içinde o kadar fazla akım depolayabilir.

Piller, pozitif ve negatif kutbu olan kimyasal hücrelerden oluşur. Bir pilin temel prensibi, bazı kimyasal maddelerin oksidasyon-indirgeme (redoks) reaksiyonlarına dayanır; burada elektronlardan biri elektron kaybeder (oksitlenir), diğeri kazanır (indirgenir). Bu maddeler, gerekli şartlar sağlandığı takdirde, elektrik verilerek (şarj) veya devre kapatılarak (deşarj) ilk hallerine dönebilirler.

Çoğu ticari pilin kısa ömrü, onları su ve toprak için güçlü bir kirletici yapar. Kullanım ömürlerini tamamladıktan sonra tekrar şarj edilemezler veya tekrar kullanılamazlar ve atılırlar. Piller, metal muhafazaları oksitlendikten sonra kimyasal içeriklerini çevreye salarak bileşimlerini ve pH’larını değiştirir.

Katot adı verilen pozitif kutbu ve anot adı verilen negatif kutbu vardır. Ayrıca elektrik akımının dışarıya akışını sağlayan elektrolitlere sahiptirler. Bu hücreler, pilin türüne bağlı olarak kimyasal enerjiyi geri dönüşümlü veya geri dönüşümsüz bir işlemle elektrik enerjisine dönüştürür. Bu işlem tamamlandığında, pil güç alma yeteneğini tüketir. Ayrılan iki tür hücre vardır:

• Birincil (şarj edilemez): Reaksiyon gerçekleştikten sonra orijinal hallerine dönemezler ve elektrik akımı depolama yeteneklerini tüketemezler.
• İkincil (şarj edilebilir): Orijinal kimyasal bileşimlerini eski haline getirmek için bir elektrik enerjisi yükü alabilirler ve tamamen tükenmeden önce birden çok kez kullanılabilirler.

Lityum pil türleri

Lityum pil türleri arasında iki temel pil buluyoruz:

• Li-Ion: Lityum-iyon piller en yaygın olanlarıdır. Lityum iyonlarının elektrotlar arasında hareketini kolaylaştırmak için bir sıvı veya katı elektrolit kullanan, kristal bir malzeme yapısı ile serpiştirilmiş lityum elektrotlardan oluşurlar. Şarj ve deşarj döngüleri açısından çok dayanıklı olma eğilimindedirler.
• Li-Po: Lityum polimer pillerdir. Lityum elektrotlar ve polimerik bir elektrolit kullanırlar. Bu, onları sıvı dökülmelerine karşı daha güvenli hale getirir ve ayrıca Li-Ion pillerden daha yüksek yoğunluğa sahip olma eğilimindedir. Ancak, şarj ve deşarj döngüleri açısından daha kısa bir yaşam döngüsüne sahip olabilirler.

Lityum pilin parçaları nelerdir?

Bir lityum pil temel olarak dört temel parçadan oluşur:

Katot (+): Bu boşluk, genellikle bir oksit formunda lityumun bulunduğu yerdir. Bu aktif malzeme olarak bilinir. Katoda yakından bakıldığında, aktif malzeme, iletken bir katkı maddesi ve bir bağlayıcı içeren bir bileşik ile kaplanmış, katot için bir destek yapısı işlevi gören ince bir alüminyum folyo görülür. Aktif malzeme lityum iyonları içerir, iletkenliği artırmak için iletken katkı maddesi eklenir ve bağlayıcı, aktif malzemenin ve iletken katkı maddesinin alüminyum alt tabakaya uygun şekilde yapışmasını sağlayan bir yapıştırıcı görevi görür. Katot, katotta kullanılan aktif malzemenin tipine göre belirlenen kapasitesi ve voltajı da dahil olmak üzere pilin özelliklerinin belirlenmesinde çok önemli bir rol oynar. Daha yüksek miktarda lityum, daha yüksek bir kapasiteye karşılık gelirken, katot ve anot arasındaki daha yüksek bir potansiyel farkı, daha yüksek bir voltajla sonuçlanır.

Anot (-): Anot substratı ayrıca, katottan salınan lityum iyonlarının tersinir absorpsiyonu/emisyonunu sağlarken elektrik akımının harici devre boyunca akmasına izin veren aktif bir malzeme ile kaplanmıştır. Pil şarj olurken, lityum iyonları katotta değil anotta depolanır. Bu noktada iletken katodu anoda bağladığında (deşarj durumu), lityum iyonları doğal olarak elektrolit yoluyla katoda geri akar ve lityum iyonlarından ayrılan elektronlar (e-) kablo boyunca yol alır. Anot için kararlı bir yapıya sahip olan grafit kullanılır ve anot substratı aktif malzeme, iletken bir katkı maddesi ve bir bağlayıcı ile kaplanır. Grafitin yapısal kararlılığı, düşük elektrokimyasal reaktivitesi, büyük miktarda lityum iyonlarını depolama yeteneği ve fiyatı gibi optimal nitelikleri nedeniyle, bu malzemenin anotta kullanım için uygun olduğu düşünülmektedir.

Elektrolit: Bir önceki maddede bahsettiğim ve katot ile anodun birbirine bağlanmasını sağlayan iletkene elektrolit denir ve aküden elektriğin geçmesine izin vermek esastır. Elektrolit, bu önemli rolü oynayan bileşendir. Katot ve anot arasında sadece lityum iyonlarının hareketine izin veren ortam görevi görür. Elektrolit için, lityum iyonlarının bir yerden bir yere kolayca taşınabilmesi için çoğunlukla yüksek iyonik iletkenliğe sahip malzemeler kullanılır. Genellikle tuzlar, çözücüler ve katkı maddelerinden oluşur. Tuzlar, lityum iyonlarının hareket etmesi için geçittir, çözücüler, tuzları çözmek için kullanılan organik sıvılardır ve belirli amaçlar için küçük miktarlarda katkı maddeleri eklenir. Sadece iyonların elektrotlara doğru hareket etmesine izin verir ve elektronların geçişine izin vermez. Ayrıca lityum iyonlarının hareket hızı elektrolit tipine bağlıdır. Bu nedenle, yalnızca katı koşulları karşılayan elektrolitler kullanılabilir.

Ayırıcı: Katot ve anot bir pilin temel performansını belirlerken, elektrolit ve ayırıcı pilin güvenliğini belirler. Ayırıcı, katot ve anodu ayrı tutan ve elektronların doğrudan akışını engelleyen fiziksel bir bariyer görevi görür. Ancak deliklerinden iyonların geçmesine izin vermez. Bugün sahip olduğumuz ticarileştirilmiş ayırıcılar, polietilen (PE) ve polipropilen (PP) gibi sentetik reçinelerdir.

Çalışma prensipleri

Deşarj sırasında, anottaki lityum iyonları salınır ve elektrolit aracılığıyla katoda doğru hareket eder. Bunun nedeni, lityum iyonlarının pozitif yüklü bir durumda olması ve negatif yüklü olan katoda çekilmesidir.

Lityum iyonları katoda doğru hareket ederken, anotta oksidasyon işlemi sırasında salınan elektronlar, elektrik akımının akışını tamamlamak için dış devre boyunca akar. Bu elektrik akımı, bataryaya bağlı cihazlara veya sistemlere güç sağlamak için kullanılır. Lityum iyonları katoda doğru hareket ettikçe ve bu elektrokimyasal reaksiyon meydana geldiğinde pil biter.

Devreye bir elektrik akımı uygulanarak, pildeki elektronların akışı tersine çevrilir. Elektronları dış devreye salmak yerine, elektronlar artık devreden pile akıyor. Şarj sırasında, deşarj sırasında katoda hareket eden lityum iyonları şimdi katotta oksitlenerek elektronları serbest bırakır. Lityum iyonları ve elektronlar elektrolit yoluyla anoda akar.

Elektronlar anoda akarken, lityum iyonları anotta emilerek pilin şarj kapasitesinin geri kazanılmasına yardımcı olur. Anotta bu lityum iyonu absorpsiyon işlemi interkalasyon olarak bilinir. Yani yükü ve ters çevrimi yeniden başlatma olasılığını artırır.