Kategoriler
Bilim & İnsan

Lityum iyon pil nedir ve nasıl çalışır?

Pillerde kullanılan yüzlerce farklı kimyasal ve bileşik var ancak hepsi benzer kuralı temel alıyor. Pili mümkün kılan üç faktör vardır: Bir malzeme elektronu çeker, diğer malzeme elektron verir ve son malzeme biriken yükü nötrleyen ara yol sunar. Peki lityum iyon pil nasıl çalışıyor ve nasıl elektroniğe güç veriyor? Bir lityum iyon pil şarj edildiğinde ne olur ve şarjı nasıl boşalır? Pilin içinde durmadan süren kimyasal bir tepkime vardır.

Lityum iyon pilin çalışma prensibi

Lityum iyon pil akıllı telefon ve araba gibi hemen her elektronikte bulunuyor. Farklı içeriğe ve kullanıma sahip birçok farklı lityum iyon batarya var. En yaygın olarak akıllı telefon ve dizüstünde grafit ve kobalt oksitli lityum pil kullanılıyor ve elektrikli arabada ise nikel, manganez ve kobaltlı lityum pil kullanılır.

Fizikte, zıt yükler (bir negatif ve bir pozitif gibi) birbirini çeker ve aynı yükler birbirini iter. Tüm piller bir pozitif ve bir negatif alana sahip. Cihazlara güç veren işte bu alanlardır. Negatif alana anot ve pozitif alana katot deniyor. Elektrik aslında elektron akışıdır. Negatif yüklü anot, negatif yükleri iter, yük akışı elektronik cihaza enerji sağlar ve elektronlar pozitif katoda ulaşır. Peki bu elektron akışı nereden geliyor?

Bir lityum iyon pilde elektronlar lityum elementinden gelir.

Anot denilen negatif terminaldeki lityum, kurşun kalemdeki grafite benzeyen karbon grafit katmanlara yerleşir (İnterkalasyon). Bunu mümkün kılan grafitin katmanlı kristal yapısıdır. Lityum elementi en dıştaki elektronunu yeterince güçlü tutamaz ve kolay bırakır: Negatif yüklü anot, lityumdaki bu negatif elektronu itiyor ve elektron yol boyunca anottan katoda (pozitif tarafa) varıyor.

İLGİLİ:  Siyah ışık nedir? Nasıl oluşur ve ne işe yarıyor?

Elektronunu kaybeden lityum atomu grafiti terk eder ve pozitif yükle yüklenip lityum iyonuna dönüşür. (İyonlar aslında atomdur, yalnızca elektron vermiş veya almıştır). Elektronların lityum atomlarından çıkmasıyla elektrik akışı gerçekleşir ve katot tarafında bolca elektron birikir.

Li-ion pil şemasının vektör çizimi. Lityum iyonlarının deşarj sırasında negatif elektrottan pozitif elektrota ve şarj sırasında pozitif elektrottan negatif elektrota hareket ettiği şarj edilebilir pil.
Li-ion pil şemasının vektör çizimi. Lityum iyonlarının deşarj sırasında negatif elektrottan pozitif elektrota ve şarj sırasında pozitif elektrottan negatif elektrota hareket ettiği şarj edilebilir pil. (İllüstrasyon: Serdiuk Igor/Depositphotos)

Lityum iyon pillerde katot tarafı için kobalt elementi kullanılabiliyor. Kullanılan kobalt bazı elektronlarını oksijene kaybetmiştir ve bu yüzden pozitiftir yani elektrona "açtır". Bu negatif ve pozitif alanları bir akıllı telefon veya otomobil devresine bağladığınızda lityumdan kopan elektronlar bu devreden geçer, cihaza elektrik verir ve kobalt ile buluşur.

Elektronların negatif taraftan pozitif tarafa akışıyla anot tarafı giderek negatif ve katot tarafı giderek pozitif hale gelir. Doğası gereği negatif elektronlar, aynı negatif yüklü bir alana giremez çünkü itilir (Zıt yükler birbirini çeker ve aynı yüklerse iter).

Bu sorunu düzeltmek için, bir süre önce elektronunu kaybedip grafitten çıkmış pozitif yüklü lityum iyonlarının bu negatif tarafa geçmesi sağlanabilir. Bunun için ayrı bir yol kurulur ve bu yola elektrolit deniyor. Elektrolitin işlevi, lityum iyonlarının anottan katoda geçmesini sağlayarak pildeki yükü dengelemek. Elektrolitin elektron geçişine izin vermemesi gerekir.

İLGİLİ:  Mutlak sıfır derece nedir? –273'ün altına inildiğinde ne olur?

Lityumlar, pozitif yüklü kobalt tarafına geçtiğinde buradaki oksijenle buluşur ve Lityum Kobalt Oksit meydana gelir. Lityum önceden kaybettiği elektronunu geri alamaz, bu elektron artık kobalta ait fakat pil içindeki şarj birikimi yeniden dengelenmiş olur.

Yani tüm lityumların anodu terk etmesiyle ve katottaki kobaltla oksit oluşturmasıyla lityum iyon pilin şarjı biter.

Pil nasıl şarj oluyor?

Pil artık boşaldığına göre yeniden şarj etme zamanı. Bir batarya şarj cihazına bağlandığında, şarj cihazı pile ters yönde elektrik kuvvet uygulayıp elektronları geriye çekiyor ve elektron akışını tersine çeviriyor.

Elektronlar şimdi kobalttan kopar ve kobalt pozitif yüklenir. Pozitif yüklenen kobalt, pozitif yüklü lityum iyonlarını itmeye başlar. Şarj cihazının elektronları anottaki grafit tarafına göndermesiyle, buradaki negatif elektronlar karşı taraftaki pozitif lityum iyonlarına çekim uygular. İyonlar artık elektrolitten grafit tarafına döner. Yani bir lityum iyon pili şarj eden şey tüm tepkimenin en başa döndürülmesi oluyor.

Pil kapasitesi neden düşer?

Lityum iyon pil ve diğer piller zamanla maksimum kapasitesini kaybediyor ve bunun birkaç nedeni var. İlk neden, lityumun ve elektronun elektrolit ile tepkimeye girerek SEI denilen katı elektrolit ara fazlı bileşikler oluşturması. SEI, lityum ve elektroliti geri döndürülemez biçimde tüketince toplam lityum miktarı azalıyor. Bu da pilin maksimum kapasitesini düşürüyor.

İLGİLİ:  Elektrikli araç pilleri artık soğuktan daha az etkilenecek

İkinci neden, pil tükenene dek tamamen boşaltıldığında kobalt tarafında çok fazla lityum kalmasıdır. Bu durum Lityum Oksit ve Kobalt (II) Oksit oluşumuna neden olur ve geri dönüşümü yoktur. Lityum ve kobaltın bu bileşiklerde hapsolmasıyla pilin kapasitesi kalıcı olarak düşüyor. Lityum iyon pillere dair en önemli püf nokta pilin boşalmasına izin vermemek ve en geç %20-30 düzeyinde yeniden şarj etmek.

Lityum iyon pile dair püf noktalar

  • Bir lityum iyon pilde, anot ve katot birbirine dokunamaz. Eğer birbirine dokunursa ve grafit tarafında herhangi bir lityum varsa kimyasal tepkime aşırı hızlanır ve yanma veya küçük bir patlama gerçekleşir. Bu yüzden lityum iyon pillerde ortadaki elektrolite iletken olmayan yarı geçirgen ayırıcı yerleştiriliyor. Elektrolit sıvı olduğundan tek başına bu dokunmayı engellemez.
  • Grafit ve kobalt peroksit, elektronları çekmede veya itmede pek iyi değiller. Bu yüzden grafitin yanına iletken bakır katman ve kobalt peroksitin yanına ise iletken alüminyum katman koyuluyor. Adları toplayıcıdır.
  • Bir lityum iyon pil ister şarjlı isterse şarjsız olsun anotta, katotta ve elektrolitte daima bir miktar lityum atomu bulunur.
  • Bir pilin kapasitesini en üst düzeye çıkarmak ve pili akıllı telefon gibi küçük cihazlara yerleştirebilmek için tüm bu katmanlar kıvrılıp paket biçiminde katlanıyor.
  • Lityum iyon pilde pilin üstünde elektrik akışını düzenleyen ek bir devre vardır. Bu devre, aşırı şarjı ve pil hasarını engelliyor.

Referanslar:

  • https://www.science.org.au/curious/technology-future/batteries
  • https://www.jstor.org/stable/44741396
  • https://www.energy.gov/science/doe-explainsbatteries

Yazar Berkay Alpkunt

Coğrafya ve astronomi üzerine geniş kapsamlı içerikler hazırlıyor. Diğer ilgi alanları canlı hayatı, bilim tarihi ve ülkeler olarak sıralanır. Aynı zamanda bağımsız video oyunlarına ilgilidir.