Neden onu tercih ediyoruz?

Yaklaşık olarak son on yılda giderek daha sık tek tür bir pil kullanmaya başladık: Lityum piller. Bu ise akla neden lityum pilleri tercih ettiğimiz sorusunu getiriyor.

Cep telefonlarında, dizüstü bilgisayarlarda ve birçok elektronik eşyada lityum pillerini tercih etmemizin nedeni ise teknik konulara dayanıyor. Makalemizde bu konulara bir miktar basitleştirme yaparak değineceğiz. Yüksek pil gücüne doğan ihtiyaç, lityum pilin ortaya çıkışı, gelişimi ve pil araştırmalarında bugün geldiğimiz durum ve fazlası hakkında gerekli bilgileri makalemizin ilerleyen sayfalarında edinebileceksiniz.

Yüksek güçlü bir pile ihtiyaç

Yüksek güçlü bir pile ihtiyaç

Yeni bir pil icat etmeye çalışan bir kimyacı olduğunuzu düşünün. 1960 yıllarında olduğunuzu ve kurşun asit pillerin yıldönümünü kutladığınızı düşünün. Kurşun asit piller hoşunuza gidiyor ancak siz, dünyanın çok yüksek güce sahip bir pile ihtiyaç duyduğunu düşünüyorsunuz. Tam olarak yüksek enerjiye neden ihtiyaç duyduğunuzu bilmeseniz de, bazı tanıtıdıklarınız gelecekte sırtınızda taşıyacağınız bilgisayarın yüksek güçlü bir pile ihtiyaç duyacağı konusunda sizi ikna etmiş. Yüksek güç için yüksel voltajlı bir pile ihtiyacınız olduğunu, bunun kurşun asit kimyanın sunduğu 2 V'dan çok daha fazla olması gerektiğini de biliyorsunuz.

Bu durumda herhangi bir kimyacının yapacağı gibi Berkeley'de bulunan Kaliforniya Üniveristesi kampüsünün kütüphanesine giderdiniz. Zira bu kütüphanede bulunan farklı elementlerin potansiyelleri hakkındaki kapsamlı tablolarda yüksek voltajlı bir madde bulabilirsiniz.

Lityum anot ve florin katot

Bir sürelik arayıştan sonra dünyadaki en iyi pilin lityum anot ve florin katottan oluşacağına karar veriyorsunuz. Ulaştığınız voltaj neredeyse 6 volt ve çok heyecanlısınız. Ancak 1.2 V'da suyun bozulmasından endişelisiniz ve su ile lityumun karışmaması gerektiğinden de eminsiniz, zira deneylerinizde çıkan ufak yangınlardan tecrübelisiniz.

Florinle uğraşmanın da çok tehlikeli olabileceğini ve sizi sakat bırakabileceğini biliyorsunuz. Katot problemiyle daha sonra uğraşmak istiyorsunuz. İlk yapmanız gereken şey lityumun çalışmasını sağlamak.

Bu sırada Harris'e ait elektrokaplama konusundaki doktora tezini ilginç buluyorsunuz. Tez, alkali metallerin (Sodyum, lityum) su bazlı olmayan çözücülerle katılaştırılmasını baz alıyor. Bu çözücülerden propilen karbonat gözünüze çarpıyor ve ideal anotu bulduğunuzu düşünüyorsunuz.

Modern Li-ion pil

Pil tasarlamanın kolay bir yolu, standart potansiyeller tablosuna göz atıp, oksidatif bir madde seçerek bunu azalmak isteyen bir maddeyle eşleştirmek. Lityum, ideal bir anot oluşturuyor.

Burada kimyacımızın biraz fazla iyimser olduğu ortaya çıkıyor. Su bazlı olmayan çözücülerde lityumu kaplamak daha kolay hale gelse de onlarca yıllık araştırmanın ardından hala lityum-metal bazlı şarj edilebilir piller yok. Lityum metale sahip birincil piller mevcut (örneğin saatinizin pili), ancak ticari olarak şarj edilebilir olanları şu an mevcut değil.

Sorun, lityum kaplama içeren pili şarj etmeye çalıştığınızda meydana geliyor. Lityum, diğer birçok metalin tersine düzgün olarak kaplanamıyor. Bunun yerine keskin iğneler veya lifler şeklinde kaplanıyor. Bu tarz bir lityum ayırıcıdan sızıp katot ile kısa devre yapabilir. Bu ise pilin patlaması demek!

Lityum, ters bir şekilde kafesin içine ve dışına hareket edebilirdi. Kafes bir hacme sahipti ve normal şartlarda liflerden oluşmuyordu. Hayali kimyacımız sonunda anotu keşfetti, ancak bu kütüphanedeki tablolar arasında bulunmuyordu.

Lityum iyon pilin doğuşu

Katot için de benzer şeyler yapılabilirdi. Teksas Üniversitesinden John Goodenough, kobalt oksit gibi maddelerin lityuma eklenebileceğini gösterdi. Kobalt oksitin voltajı, florinin yanına yaklaşamasa da florinin çalıştığı voltajlara erişebilen herhangi bir ömzücü bulunmuyordu (ve hala bulunmuyor).

Grafit anot gibi, kobalt oksit de çalışan bir katot meydana getirmemizi sağlıyor. Kobalt oksit, grafit giib hacme ve ağırlığa sahip bir kafes ancak lityum ve florinle çalışmaktan çok daha pratik.

Böylelikle lityum iyon piller doğdu. Sony tarafından ticarileştirilen teknolojide kullanılan volaj ise, hayali kimyacımızın düşündüğünden çok daha aşağısında (6 V yerine 3.7 V) ve iki kafese sahip. Bu ise bugün kullandığımız pillerin, hayal edilenden daha kötü olduğu anlamına geliyor.

Pil araştırmasının geleceği

Peki pil araştırmaları nereye gidiyor? Pilin enerjisi (kapasitesi), pilin voltajı ile kafeslerin tuttuğu lityum miktarına eşit. Pilin voltajını veya kapasitesini artıracak bir yol bulmamız gerekiyor.

Lityum iyon pillerde bunun anlamı, daha çok lityumu daha az hacim ve ağırlıkla tutacak anotlar ve katotlar arayışında olduğumuz. Aynı zamanda bizi hayal edilen voltaja yaklaştıracak elektrolitleri de arıyoruz.

Bugün kullandığımız katotlar ~3.8 V ile ~180 mAh/g kapasitesinde çalışıyor. Ayrıntılara girmeden anlatırsak, voltajı yüzde 10-15 ve kapasiteyi yüzde 50 artırmamız mümkün.

Anottaki olanaklarımız ise daha sınırlı. Grafitten 10 kat daha fazla kapasiteye sahip olan bir madde mevcut, ancak bu madde pilin voltajını düşürüyor. Ve anotun kapasitesini 10 kat artırmak, pilin enerjisinin de bu oranda artması anlamına gelmiyor.

Peki bunlardan başka hangi çözümler var? Kafesleri kaldırmak mümkün olabilir. Lityum kullanmak zorunda da değiliz. Tüm önemli olan voltaj ve kapasite. Daha yüksek voltaj veya kapasiteye sahip bir şey bulduğumuz anda yeni bir pil gelişim süreci başlayacak demektir. Lityum pillerin gelişmini tamamladığını ise henüz söyleyemeyiz.

Daha fazlası için www.chip.com.tr sitesini ziyaret edebilirsiniz.