Lityum-İyon Pillere Giriş
Lityum-İyon Pillerin Çalışma Prensibi
Bir lityum-iyon pil esas olarak bir pozitif elektrot, bir negatif elektrot, lityum iyonlarını ileten bir elektrolit ve bir negatif elektrottan oluşur.ayırıcıve pozitif ve negatif elektrotları ayıran muhafaza. Pozitif elektrot malzemesi genellikle lityum kobalt oksit (LiCoO₂), lityum nikel oksit (LiNiO₂), lityum manganez oksit (LiMn₂O₄) veya üçlü malzemeler (LiCoₓNiᵧMn₁₋ₓ₋ᵧO₂) gibi lityum iyonlarının tersinir şekilde eklenmesine ve çıkarılmasına izin veren bir bileşiktir. Elektrolit, belirli bir çözücü (temel olarak belirli bir oranda etilen karbonat (EC), dietil karbonat (DEC), dimetil karbonat (DMC), propilen karbonat (PC), vb. karışımı) içinde çözünmüş lityum tuzlarından (yaygın lityum tuzları arasında LiClO₄, LiPF₆, LiBF₄, LiBOB, vb. bulunur) oluşur. Ayırıcı malzeme genellikle Celgard 2300 ayırıcı gibi tek-katmanlı veya çok-katmanlı polipropilen (PP) ve polietilen (PE) mikro gözenekli membranlar kullanan bir poliolefin reçinesidir. Negatif elektrot tipik olarak petrol kok, saf grafit ve katmanlı grafit karışımlı karbon gibi lityum arakatılımına sahip malzemeler kullanır. Negatif elektrot olarak karbon (C₆) ve pozitif elektrot olarak geçiş metali oksit LiMeO₂ kullanan bir lityum-iyon pildeki reaksiyon aşağıdaki gibidir.
Şarj sırasında:
Taburculuk sırasında:
Şarj sırasında lityum iyonları pozitif elektrottan serbest bırakılır ve negatif elektrotun içine yerleştirilir; Deşarj sırasında lityum iyonları negatif elektrottan serbest bırakılır ve pozitif elektrotun içine yerleştirilir. Başka bir deyişle, şarj ve deşarj sırasında lityum iyonları, tıpkı sallanan bir sandalye gibi, pozitif ve negatif elektrotlar arasında ileri geri hareket eder. Bu nedenle lityum-iyon pillere "sallanan sandalye pilleri" de denir. Çalışma prensipleri Şekil 1.1'de gösterilebilir.
Normal şarj ve deşarj koşullarında, lityum iyonlarının katmanlı karbon malzemeler ve oksit parçacıkları arasına veya lityum-iyon pillerdeki katmanlar arasına yerleştirilmesi ve çıkarılması genellikle yalnızca katmanlar arası boşlukta değişikliklere neden olur ve kristal yapıya zarar vermez. Şarj ve deşarj sırasında pozitif ve negatif elektrot malzemelerinin kimyasal yapıları esasen değişmeden kalır. Bu nedenle, şarj-deşarj reaksiyonunun tersine çevrilebilirliği açısından bakıldığında, lityum iyonlarının pil malzemelerine eklenmesi ve çıkarılması ideal bir reaksiyon sürecidir. Bu özelliklere dayanarak, lityum-iyon piller performans açısından nikel-kadmiyum ve nikel-metal hidrit pillere göre üstündür.
Lityum-iyon pil sınıflandırması
Lityum-iyon piller, kullanılan katot malzemesine, görünümüne ve boyutuna, hücre üretim yöntemine, paketleme türüne ve uygulama özelliklerine göre sınıflandırılabilir.
Kullanılan katot malzemesine bağlı olarak lityum-iyon piller, lityum kobalt oksit piller, lityum manganez oksit piller, üçlü lityum piller ve lityum demir fosfat piller olarak ayrılabilir.
Lityum kobalt oksit pillerin nominal voltajı 3,7V ve çalışma voltajı aralığı 2,4~4,2V'dir. Lityum kobalt oksit piller istikrarlı bir yapıya, yüksek spesifik kapasiteye ve olağanüstü bir genel performansa sahiptir, ancak güvenlikleri zayıftır ve maliyetleri yüksektir; çoğunlukla küçük ve orta-boyutlu hücrelerde kullanılır. Son yıllarda, pilin üst sınır voltajını 4,3V veya 4,35V'a yükseltebilen, böylece pil kapasitesini ve enerji yoğunluğunu etkili bir şekilde artırabilen yüksek-voltajlı lityum kobalt oksit malzemeleri geliştirildi. Şu anda lityum kobalt oksit piller, 550 Wh/kg'a ulaşan en yüksek hacimsel enerji yoğunluğuna sahiptir ve bu da onları ileri teknoloji cep telefonlarına ve diğer elektronik ürünlere güç sağlamak için tek seçenek haline getiriyor.
Lityum manganez oksit (MMANO) pillerin nominal voltajı 3,8V'dur ve çalışma voltajı aralığı 2,5V ila 4,2V'dir. Aşırı şarj koruma voltajı 4,28V ± 0,025V ve aşırı-deşarj koruma voltajı 2,5V ± 0,1V'dir. MMANO pilleri düşük maliyetlidir ve{10}iyi bir güvenliğe sahiptir. Bununla birlikte, lityum manganez oksit malzemesinin kendisi nispeten kararsızdır ve ayrışmaya, gaz üretmeye ve şişmeye eğilimlidir. Döngü ömrü nispeten hızlı bir şekilde bozulur, ömrü nispeten kısadır ve{13}yüksek sıcaklık performansı zayıftır. Esas olarak düşük-maliyetli, orta-ila-büyük-boyutlu hücrelerde güç pilleri üretimi için kullanılır.
Üçlü lityum{0}}iyon (TLC) pillerin nominal voltajı 3,6V'dur ve çalışma voltajı aralığı 2,75V ila 4,2V'dir. Aşırı şarj koruma voltajı 4,28V ± 0,025V ve aşırı-deşarj koruma voltajı 2,75V ± 0,1V'dir. TLC piller iyi bir genel performansa sahiptir, lityum kobalt oksitten (LCO) daha ucuzdur ve gelişmiş güvenlik sunar. Güç pillerinde kullanılabilirler ve katot malzemesi pazarındaki pazar payları her geçen yıl artmaktadır. Üçlü lityum-iyon malzemeleri kullanan küçük lityum-iyon piller, pazar tarafından yavaş yavaş kabul edilmektedir. Üçlü malzemeler aynı zamanda çelik-kasalı, alüminyum-kasalı, kese, polimer ve silindirik lityum-iyon pillerde kullanılmak üzere lityum kobalt oksit ve lityum manganez oksitle de karıştırılabilir; bu, pil maliyetlerini önemli ölçüde azaltabilir ve genel performansı artırabilir. Şu anda, üçlü malzeme pilleri 180 Wh/kg enerji yoğunluğuna ulaşabilmektedir (26650 çelik-kasalı piller, 90 g ağırlıkla 4600 mAh/kg kapasiteye ulaşabilir), bu da maliyet etkinliği açısından açık bir avantaj-sunmaktadır.
Lityum demir fosfat (LFP) pillerin nominal voltajı 3,2V'dur ve çalışma voltajı aralığı 2,5~3,75V'dir. Aşırı şarj koruma voltajı 3,75V±0,025V ve aşırı-deşarj koruma voltajı 2,5V±0,1V'dir. LFP pillerinin en büyük avantajı, pozitif elektrot malzemesinin stabilitesi ve ayrışmamasıdır; bu da onlara diğer pozitif elektrot malzemesi sistemleriyle karşılaştırıldığında benzersiz bir güvenlik sağlar. LFP pilleri uzun bir çevrim ömrüne sahiptir, kaynak bakımından zengindir ve çevre dostudur. Ancak düşük deşarjlı bir platforma ve zayıf{13}}düşük sıcaklık performansına sahiptirler.
Görünüm ve boyuta bağlı olarak, lityum{0}}iyon piller silindirik piller ve prizmatik piller vb. olarak ikiye ayrılabilir.
Hücre üretim yöntemine dayalı olarak, lityum{0}}iyon piller, sarımlı piller (silindirik sarımlı ve düz sarımlı), istiflenmiş piller vb. olarak ayrılabilir.
Ambalaj malzemesi türüne bağlı olarak, lityum-iyon piller çelik-kutulu piller, alüminyum-kutulu piller, plastik-kutulu piller, yumuşak-paket piller vb.'ye ayrılabilir.
Uygulama özelliklerine bağlı olarak, lityum-iyon piller yüksek-sıcaklık pilleri, düşük-sıcaklık pilleri, güç pilleri ve kapasiteli piller vb.'ye bölünebilir.
Uygulama alanlarına göre lityum{0}}iyon piller şu şekilde sınıflandırılabilir: yedek piller, güç pilleri ve enerji depolama pilleri.
Lityum-İyon Pillerin Uygulamaları
Pilin icadından bu yana hiçbir pil ürününün lityum{0}}iyon pil kadar hızlı ve yaygın olarak kullanılmadığı söylenebilir. Bilgisayar CPU'ları için saat güç kaynağından, otomobillerde ve denizaltılarda kullanılan büyük lityum-iyon pil paketlerine kadar kapasite farkı 10 milyon kattan fazladır. Günlük yaşamda, tıbbi ekipmanlarda, elektrikli araçlarda, enerji depolama santrallerinde, havacılıkta ve askeri alanda geniş uygulamalara sahiptirler.
Lityum-iyon piller, 10 yılı aşkın bir süredir popüler hale geldikten sonra, cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar gibi dijital ürünlerde yaygın olarak kullanılan tek güç sistemi haline geldi. Yüksek özgül enerjileri nedeniyle, elektrikli el aletleri, elektrikli bisikletler, elektrikli otobüsler, rüzgar ve güneş enerjisi depolama güç istasyonları, mobil iletişim baz istasyonları, madencilik lambası güç kaynakları, madencilik kurtarma kapsülü güç kaynakları, askeri bireysel asker güç kaynakları, radyolar, uydu pilleri ve diğer birçok uygulamada da yaygın olarak kullanılmaktadırlar. İstatistiklere göre, 2011 yılında Çin'in lityum pil sektörünün pazar büyüklüğü, bir önceki yıla göre %43 artışla-39,7 milyar yuan'a, yıllık lityum pil üretimi ise %28,6 artışla 2,97 milyar adede ulaştı. Lityum pil endüstrisi ulusal ekonominin önemli bir endüstriyel yönü haline geldi²¹.
