1970 yılında lityum metalinin Fermi Seviyesi (elektronların potansiyel seviyesi) enerji uygulamalarında kullanımına ait avantajlar fark edilmesinden sonra 1972’de Exxon ilk defa TiS2 yapısında katot üreterek (lityum metali anot olarak kullanıldı) lityum pilini üretmiştir.
1980 yılına gelindiğinde katmanlı yapıdaki sülfür içeren katot malzemelerinin uzun cevrimler boyunca kararlı kalmadığı keşfedilmiş, John Bannister Goodenough ve arkadaşları alternatif malzeme olarak metal oksitlerin katot olarak kullanılmasını önermişlerdir.
1991 yılında ilk defa Sony bu görüşü geliştirerek ilk ticari Lityum iyon pili üretmiştir.
LiCoO2’in katot, karbonun anot olarak kullanıldığı bu hücrelerde 3,6 Volt üstünde potansiyel elde edilmiş, uzun çevrimler boyunca kararlılık gösteren lityum iyon pillerin üretilmesi başarılmıştır.
Sonraki yıllarda pil teknolojisinde rekabet hızla artmış ve özellikle pillerin çevrim ömürleri (şarj-deşarj çevrimi), spesifik enerjileri, hacimsel enerji yoğunlukları, güvenlikleri ve yüksek sıcaklıklarda kararlı yapıları üzerinde gerçekleştirilen geliştirme çabaları hız kazanmıştır.
LİTYUM İYON PİL NEDİR?
Tekrar şarj edilebilir piller ikincil piller olarak bilinirler. Deşarj olduktan sonra tekrar şarj edilerek kullanılabilen elektrokimyasal hücrelerdir.
Karşılaştırma içerisinde genel olarak Lityum iyon pillerin diğer ikincil pillerle (gümüş – çinko, nikel-c-çinko, nikel-hidrojen) karşılaştırıldıklarında sergiledikleri avantaj ve dezavantajlar sıralanmıştır.
| Avantajlar | Dezavantajlar |
| ü Kapalı hücre, bakım gerektirmemesi
ü Uzun ömürlü ü Geniş çalışma sıcaklık aralığı ü Uzun raf ömrü ü Çabuk şarj olabilme kabiliyeti ü Yüksek güçlü deşarj kapasitesi ü Yüksek enerji verimi ü Yüksek enerji ve enerji yoğunluğu ü Hafıza etkisinin olmayışı |
ü Fiyatı
ü Yüksek sıcaklıklarda bozulması ü Koruyucu devre ihtiyacının oluşu ü Aşırı şarj sonucunda kapasite kaybı veya termal bozunuma |
Lityum İyon Pil Çalışma Prensibi
Lityum iyon pillerde, hücreler diğer pil sistemlerinde olduğu gibi enerjiyi üretmek ve depolamaktan birincil derece sorumlu üç (3) ana bileşenden oluşmaktadır.
Bunlar anot, katot ve elektrolit olarak sıralanabilir.
Anot malzeme negatif elektrot
Katot ise pozitif elektrot olarak görev alır.
Pozitif elektrotlar genelde tünel veya tabakalı yapılara sahip metal oksitlerden (LiMOx) oluşurlar.
Negatif elektrot malzemelerde tabakalı yapılara sahiplerdir.
Bu yapılar sayesinde hücrenin/pilin şarjı ve deşarjı esnasında Li iyonları pozitif ve negatif elektrotları arasında karşılıklı olarak yer değiştirebilmektedir. Bu yer değiştirme(topotaktik) reaksiyonu olarak tanımlanır. Reaksiyonda aktif malzemeler anot ve katot olup lityum için ev sahipliği görevini görürler lityum ise misafir olarak bir elektrottan diğerine yer değiştirir.
Katot reaksiyonu (M:Ni,Co,Mn);
Anot reaksiyonu;
Hücrede bu reaksiyonların oluşması için elektrot malzemelerinin elektrik iletkenliği sağlanmalıdır.
Elektrot malzemeleri yüksek iletken metal folyolar üzerine lamine edilir. Farklı olarak folyo üzerine biriktirilir. Folyoların üzerindeki elektrotlar arasında gerçekleşmesi muhtemel kısa devreyi önlemek için mikro gözenekli seperatörler ve iletkenliği sağlamak için sıvı/jel/katı elektrolitler kullanılarak hücre içerisinde lityum iyonlarının yer değiştirmesi sağlanır.
Lityum iyon pillerde verim, kapasite ile belirlenir. Hücrede aktif olan malzeme miktarı ile belirlenen kapasite, tam olarak şarj edilmiş bir pilden belirli deşarj koşulları altında elde edilen toplam amper saat (Ah) olarak tanımlanır. Aktif bir gram eş değer malzeme 96500 C yük veya 26,8Ah teorik kapasiteye sahiptir. Ticari anlamlılığa sahip bir lityum pilin yalnızca güvenli ve uzun ömürlü olması değil yüksek kapasitelerde hizmet vermesi de beklenmektedir.
Lityum İyon Pil Türleri
Lityum tabanlı enerji depolama sistemlerinde hücre kimyaları her geçen gün artmaktadır.
Günümüzde ticari olarak kullanılabilen 3 hücre kimyasından bahsedebiliriz.
- Lityum nikel manganez kobalt türevleri (NMC)
- Lityum demir fosfat (LiFePO4)
- Lityum titanat (LTO)
LTO; çok uzun bir ömre ve geniş bir sıcaklık aralığına sahiptir. Çok yüksek şarj ve deşarj akımlarını kaldırabilirler. ( Raylı sistemler, vb.)
NMC; ağırlık ve hacmin önemli olduğu uygulamalarda kullanılan kimyadır. (Elektrikli araç, otonom sistemler, taşınabilir güç kaynakları, vb.)
LFP; yoğun kullanım ve zorlu ortamlara sahip endüstrilerde popülerdir. Oldukça yüksek maliyet avantajı sağlar. (İstif makinaları, yenilenebilir enerji depolama sistemleri, vb.)