Lityum iyon (Li-ion), bir çeşit yeniden doldurulabilir pildir. Cep telefonundan dizüstü bilgisayara kadar elektronik ürünlerde kullanılan lityum iyon piller, ağırlıklarına ve büyüklüklerine oranla sağladıkları yüksek güç nedeniyle kabul görüyor ve yaygınlaşıyor. Lityum piller diğer kimyasallarla hazırlanan pillere oranla çok daha hafiftir. Bunun sebebi lityum iyon pillerin doldurulabilme yoğunluklarının en üst seviyede olmasıdır. Lityum iyon piller için hafıza etkisi sorunu yoktur. Dolayısıyla bu pilleri şarj etmek için tam olarak boşalmalarını beklemek gerekmez. Ayrıca yine aynı nedenden dolayı şarjı yarıda kesmek pil için olumsuz bir etki yaratmaz. Bu pillerin kullanılmadıkları zamanlardaki enerjilerini kaybetmeleri de uzun sürer.
Bu pillerin enbelirgin kusuru, kullanım ömürlerinin üretim tarihlerinden itibaren başlamasıdır. Depoda tutulup kullanılmasalar da bu pillerin ömürleri geçen süre ile azalır. Yüzde 100 şarj seviyesindeki ve çoğunlukla 25 derece sıcaklıkta bulunan tam dolu tipik bir dizüstü bilgisayar pili, geri dönüşü olmayacak şekilde her yıl kapasitesinin yüzde 20 sini kaybeder. Değişik depolama/saklama dereceleri değişik pil ömrü kayıplarına yol açmaktadır. 0 derecede yüzde 6, 25 derecede yüzde 20 ve 40 derecede yüzde 35 yıllık kayıpla karşılaşılabilir. Lityum iyon pil yüzde 40 dolu olarak depolanırsa/saklanırsa pil kapasitesindeki kayıp değerleri düşer. Bu değerler yüzde 40 dolu pilde 0 derecede yüzde 2’ye, 25°C derecede yüzde 4’e, 40°C derecede ise yüzde 15’e düşer.
Eğer pil tamamen boşaltılırsa, bu durum pilin kapasitesini düşürür. Tamamen boş tutma, pilin kapasitesinde yüzde 75 ila yüzde 80’lik bir kapasite kaybına yol açar. Dizüstü bilgisayarlarda ya da cep telefonlarında kullanıldığında bu kayıpların anlamı üç-beş yıllık bir kullanımın ardından pilin kapasitesinin kullanılamayacak kadar düşecek olmasıdır. Lityum piller de hafıza etkisi görülmese de bu piller, nikel metal hidrür ya da nikel kadmiyum piller kadar uzun ömürlü değildirler. Hatalı kullanıldıklarında tehlikeli olabilirler. Yüksek ısıya ya da doğrudan güneş ışığına maruz bırakılırlarsa tutuşma ya da patlama görülebilir. Özellikle sıcak havada otomobilde bırakılmalı risk taşır. Tutuşma ya da patlama riski, lityum iyon pilin kısa devre olması durumunda da ortaya çıkar.
Li-ion bataryanın özellikleri
Öncelikle lityum iyon piller, taşınabilir cihazların kullanım ömrünü uzatan pil çeşidi olarak bilinir. Lityum iyon piller, geleneksel pillere nazaran daha uzun ömürlü, daha yüksek güç yoğunluğuna sahip, bir seviyeye kadar daha hızlı şarj olan ve daha hafif bataryalardır. Li-ion pillerde klişe hale gelen şarj etmek için pilin tamamen boşalması durumuna gerek yoktur. İstenildiği zaman şarj edilebilir, istenildiği seviyede şarjdan çekilebilir. Li-ion bataryalar, kapasitelerini her yıl yüzde 20 ila yüzde 30 arasında kaybederler. Ortalama ömürleri 5 yıldır. Direkt güneş ışınlarından ve direkt ısıdan korunması gereken bu piller, halihazırda kullanılan en yaygın ve verimli olan pil/batarya türüdür. Elon Musk’ın sahibi olduğu Tesla ve ortağı Panasonic de ortak bir projeyle dünyanın en büyük lityum iyon bataryası Gigafactory’yi üretmişti.
1-)Voltaj:
Pillerin üzerinde 3.6 volt, 3.7 volt gibi değerler yazar. Bu pillerin nominal montajını gösterir. Lityum-İyon pillerin nominal voltajı 3.6 veya 3.7 volttur. Peki nominal voltaj neden 3.6 volttur ve ne anlama gelmektedir. Lityum-İyon pillerde nominal voltaj tamamen dolu bir pilin nominal deşarj akımıyla tamamen boşaltıldığında, deşarjdaki ortalama voltajdır. Yani kullanım boyunca alınan ortalama voltajdır.
Tamamen şarj edilmiş 2900 miliampersaatlik bir pil, 580 miliamperle 2.7 volta kadar deşarj edildiğinde ortaya çıkan veriler, birdenbire bir voltaj düşüşü olmaz, deşarj eğrisinde düzenli bir gidiş vardır. Özellikle 3.8-3.7-3.6V civarlarında olabildiğince düzenli bir gidiş olur. Eğim 3.6-3.7V civarlarında az, 3.5V’dan sonra ise voltaj düşüşü hızlı olmur. Bu pilin eğrisi boyunca ortalama voltaj 3.6-3.7V civarındadır. Tabiki bu nominal akımda geçerlidir. Eğer akım çok arttırılırsa voltaj düşüşü daha keskin olacaktır. Kısaca pillerin bir serisini 3.6V olarak kabul edip, ihtiyacınızı ona göre hesaplayabilirsiniz. Örneğin; 3 seri pil ihtiyacınız var ise 10.8V olur. 4 seri pil 14.4V olur.
2-) Bağlantı Şekilleri:
Piller, seri bağlanırsa voltaj artar, paralel bağlanırsa kapasite artar. Pilleri seri bağlarsanız voltaj artar. Seri şekildeki bağlantıda 3.6V 3400mAh’lık 4 tane pil seri bağlayalım. Seri bağlandıkça voltaj artacağından 14.4 volt 3400mAh pil elde edilmiştir. Eğer piller paralel bağlanırsa voltaj sabit kalır ve kapasite artar. 4 tane pil paralel bağlanırsa ve 13.600 miliamper saatlik 3.6 voltluk pil elde edilmiştir. Hem voltajı hem kapasiteyi arttırmak isterseniz seri ve paralel bağlantı yapabilirsiniz. 4 tane pilin 2 tanesi paralel bağlanırsa ve bunlar birbirine seri bağlanırsa Sonuç olarak 7.2 volt 6.800 mAh pil elde edilmiş olacaktır.
3-) Kapasite:
Pillerin üzerinde veya data sheetlerinin üzerinde 2500mAh, 2900mAh, 3500mAh gibi kapasiteler yazar. Bu pilin nominal akım da ve ideal şartlarda sağlayabileceği kapasitedir. Test çalışmalarında pilin kapasitesini ölçmek için herhangi bir akımla test yapılmaz. Tüm dünyada bu iş standartlara bağlanmıştır. Pili tamamen doldurulduktan sonra oda sıcaklığında ve kapasitesinin yüzde yirmisi kadar akımla deşarj edilerek test edilmelidir. Örneğin 3000 miliamper saatlik bir piliniz var ise bu pili 600 miliamper ile deşarj ederek 5 saat çalışmasını beklemelisiniz. Çalışma saatine göre kapasiteyi hesaplayabilirsiniz.
Dikkat ederseniz bazı pillerin üzerinde kapasite yazarken bazılarında yazmamaktadır. Burada Power-Xtra 2500mAh, 2900mAh piller vardır. Samsung gibi bazı markalar kapasiteyi pilin üzerine yazmaz, onun yerine bir kod yazarlar. Örneğin; Samsung 26JM modeli 2600mAh bir pilken, Samsung 29E modeli 2900mAh bir pildir. Samsung pillerini kapasiteye göre kısa kodlar vererek adlandırmaktadır. Sony, VTC gibi markalar ise pillerinde sadece VTC5, VTC6 gibi marka/model isimleri belirtmektedir. Bu pillerin detaylarını veri sayfasına (datasheet) bakarak öğrenebiliriz. Bu markalar genelde pilin üzerine kapasite yazmayı pek tercih etmiyorlar, bir kod yazarak müşteriye bu kod ile tüm özellikleri anlatıyorlar. VTC’ de ise kodda kapasite ile alakalı herhangi bir ipucu yoktur.
4-) Akım:
Akım kapasiteyle çok karıştırılmaktadır. Kapasite amper/saat cinsindendir, yani bir saatte ne kadar akım geçtiğini belirtir. Amper ise anlıktır, voltajın dirence bölünmesiyle elde edilir. V=I x R pillere ve elektriğe dair en temel formüldür (Ohm Kanunu).
İki farklı senaryo varsayalım. Birinci senaryoda 0.1V’luk potansiyel fark vardır. 500Ω dirençle deşarj edilmiştir. 0.1 voltu 500Ω ile deşarj edildiğinde 0.2mA geçmektedir. Direnç sabitken voltaj arttırıldığında yani 2.7 volt pili 500Ω ile deşarj ettiğimizde pilden 5.4 miliamper geçtiğini görmekteyiz.
Yani aynı direnç değerinde voltaj yükseldikçe doğal olarak akım da yükselmektedir. Aralarında doğru orantı vardır. İkinci senaryoda direnç artarsa ne olur onu inceleyelim. Voltaj sabitken 4.5 volt 204Ω pilimizden 22.1 miliamper geçmiş. Voltaj sabitken direnci artırdığımızda pilimizden 5.7miliamper geçmiştir. Yani akım azalmıştır. Direnç ne kadar büyük olursa akım o kadar az geçebilir. Siz uygulamanızın çekeceği akımı, çalışma voltajını bilip ona uygun pil seçmelisiniz. Her pil her uygulamada kullanılmaz.
5-) Şarj:
Lityum-İyon pillerin şarj voltajı 4.2 volttur. Lityum-İyon piller özel şarj aletleri yardımıyla CC-CV yöntemiyle şarj edilmelidir. CC-CV sabit akım-sabit voltaj demektir. Pilleri istediğimiz hızda şarj edemeyiz, her pilin şarj akımı farklıdır. Ancak kapasitenin yarısı kadar akım bütün Lityum-İyon piller için idealdir. 2900 mAh’lık bir pilin 1450 miliamper ile şarj edilmesi Önce pil 4.2 volta kadar sabit 1450 miliamper akımla şarj ediliyor. Sonra pil 4.2 volta ulaştığı anda voltaj sabit tutuluyor, şarj akımı azalıyor.
Şarj akımı pil kapasitesinin 2’sine düştüğünde pil tamamen şarj olmuş demektir. Bu belirtilen özel şarj cihazları veya kendi cihazını tasarlamak isteyen kişiler için geçerlidir. Piyasadaki şarj aletlerinde bununla ilgili herhangi bir ayar yapılamamaktadır. Akımın nereye kadar düştüğü bu cihazlarda görülmemektedir. Cihaz akımı 70-80 miliampere kadar düşerek tüm piller için şarj işlemini tamamlar. Lityum-iyon pilleri şarj edilirken dikkatli olunmalıdır. Herhangi bir adaptörle veya eski nikel-kadmiyum şarj aletleri ile şarj edilmemelidir. Bu piller yanıcı ve patlayıcı olduğundan tehlikelidir.
6-) Deşarj:
Lityum-İyon pillerin minimum deşarj voltajı markaya göre değişiklik gösterebilir. Genelde 2.5V- 2.7V’dur. Deşarj voltajı ve deşarj akımı için datasheet kontrol edilmelidir. Sony için bu deşarj voltajı 2 volt olabilir. Panasonic için 2V-2.5V olabilir. LG bu pil modelinde bunu 2.75 volt olarak vermiş. Standart deşarj akımı ise sabit 500 miliamper yani pilin minimum kapasitesinin 20’si kadar olarak vermiş. Maximum deşarj akımı ise (bir uygulamanızda her zaman nominal akım çekmeyecekseniz) biraz fazla akım çekecekseniz,sizin için maksimum deşarj akımı da önemlidir. Burada 10 amper çekebileceğini söylüyor. Bu pilden 11-12 amper çekmemelisiniz.
Çok ısınabilir, pil zarar görebilir. Tavsiye edilen kadar akım çekmelisiniz. Daha çok akıma ihtiyacınız varsa, VTC serisi gibi 20 amper, 30 amper, 35 amper verebilen bir seriden kullanabilirsiniz. Şarj voltajı 4.2 den ne kadar düşük tutarsanız, pilin cycle sayısı o kadar artar. Deşarj voltajını da 2.7 volttan ne kadar yüksek tutarsanız o kadar artar. 2.75 olarak belirtmiş, bunun altında deşarj etmemeliyiz ama istersek üzerinde 3 volta veya 3.2 volta kadar deşarj edebiliriz. 2500 miliamper yerine 2400 miliamper kullanmış oluruz ama pilimizi 500 çevrim yerine 600 veya 1000 çevrim kullanabiliriz, ömrü uzamış olur.
7-) Cycle Sayısı (Çevrim Ömrü):
Birçok marka pillerinin 500 kez şarj-deşarj ettiğinizde pilin 80 kapasiteye düşeceğini söyler. 80 önemlidir çünkü 80'e kadar oldukça düzgün bir eğriyle kapasite kaybı yaşayan bir pil, 80’ den sonra kararsız davranabilir. İdeal koşullardan ne kadar uzaklaşılırsa çevrim ömrü o kadar azalır. Yukarıdaki grafikte 18650PF oda sıcaklığında yani 25 derecede 0.5C ile 4.2 Volta kadar şarj edilmiştir ve 1C ile 2.5volta kadar deşarj edilmiştir. Bu durumda kapasitenin çevrim sayısına göre ne kadar azaldığını görüyorsunuz. İlk grafikte 500. çevrim sonunda yaklaşık 2300 - 2400 mAh civarına kadar düşeceği belirtilmiştir.
Sony VTC6’nın grafiğini incelediğimizde oda sıcaklığında 23 derecede 4 amperle 4.15 volta kadar şarj edilmiş. Deşarjda en fazla 30 dereceye kadar sıcaklığın çıkmasına izin verilmiştir. 7.5 amperle 2.5 volta kadar deşarj edildiğinde kapasitenin 2100 mAh civarına düşeceği belirtilmiştir. Sağ üstte iki tane LG pilin grafiğini görebilirsiniz. İkisi de aynı şartlarda şarj edilmiş. Soldaki 10 amperle deşarj edilmiş ve 300 kullanım sonunda 2400 mAh’den daha fazla kapasite verebilmiş. Sağdaki ise 15 amperleri deşarj edilmiş 300 kullanım sonunda 2400mAh kapasite verebilmiş. Yani deşarj akımı ne kadar artarsa çevrim ömrü o kadar azalır.
Lityum-İyon piller genel olarak 500 çevrim ömrüne sahiptir. Yukarıda LG M36 pilini görüyorsunuz. Bu pil 1000 çevrim ömrüne sahip, günümüzde Lityum-İyon pillerde bundan fazlası şu an için çok mümkün değildir. Lityum-İyon pillerin çeşitli alt kimyalarında ise çok daha fazla çevrim sayısına ulaşmak mümkündür. Örneğin LiFePO4 pillerin 2.000 çevrim ömrü vardır. LTO-(Lithium Titanate Battery) pillerin 10.000 çevrim ömrü vardır. Her gün kullansanız bile yaklaşık 30 sene kullanım ömrü vadeder. Ancak bu kimyaların enerjileri düşüktür. Bu yüzden Lityum-İyon piller hala bir birçok uygulama için en iyi alternatiftir ve çevrim sayıları her geçen gün artmaktadır.
Lityum pillerin depolanmasıyla ilgili kısaca bahsedecek olursak; Lityum-İyon piller olabildiğince serin ortamda depolanmalıdır. En ideal saklama koşulu 40 doluluk ve 0°-25° derecedir. Pilinizi 40 dolulukla oda sıcaklığında saklarsanız, bir sene sonra kapasitesini 96 dolulukla koruyabilir. Yılda en az bir kere şarj edilmesi tavsiye edilir. Doluluk ve sıcaklık ne kadar artarsa depolama açısından o kadar kötüdür. Örneğin 100 doluluk ve 60° derecede saklarsanız üç ay içerisinde pilinizin kapasitesini geri dönülemeyecek şekilde kaybedebilirsiniz.
Çalışma sıcaklığı incelendiğinde lityum piller genel olarak 0°(sıfır derecenin) altında şarj olmazlar. 0° ile 45°-50° arasında şarj olabilirler. Bazı özell piller (-10) dereceye kadar şarja izin verir. (-10) derecede piller şarj olabilir ancak bu pil sağlığı açısından tavsiye edilmez. Çalışma sıcaklıklarında deşarj sıcaklıkları, şarj sıcaklıklarına göre biraz daha geniştir. 0 derecede şarj olan pil (-20)° ile 60° arasında deşarj olabilir. Farklı markalardaki piller (-20)° ila 75° derece arasında deşarj olabilirler.
Lityum sahip olduğu metali yüksek enerji kapasitesi ve elektrokimyasal özelliği ile daima ilgi çeken bir negatif elektrot metali olmuştur. Bu özelliğinde dolayı birçok birincil pilde metalik lityum veya lityum bileşiği kullanılmaktadır. Bu pillerin başında lityum-mangan dioksit, lityum-tionil klorür ve lityum-sülfür dioksit gelmektedir.
Tekrar şarj edilebilir piller ikincil piller olarak bilinirler. Deşarj olduktan sonra tekrar şarj edilerek kullanılabilen elektrokimyasal hücrelerdir. Genel olarak Lityum iyon pillerin diğer ikincil pillerle (gümüş-çinko, nikel-çinko, nikel-hidrojen) karşılaştırıldıklarında sergiledikleri avantaj ve dezavantajlar sıralanmıştır.
Avantajlar
• Kapalı hücre, bakım gerektirmemesi
• Uzun ömürlü
• Geniş çalışma sıcaklık aralığı
• Uzun raf ömrü
• Çabuk şarj olabilme kabiliyeti
• Yüksek güçlü deşarj kapasitesi
• Yüksek enerji verimi
• Yüksek spesifik enerji ve enerji yoğunluğu
• Hafıza etkisinin olmayışı
Dezavantajlar
• Fiyatı
• Yüksek sıcaklıklarda bozunması
• Koruyucu devre ihtiyacının oluşu
• Aşırı şarj sonucunda kapasite kaybı veya termal bozunma.
Tekrar şarj edilebilen lityum iyon pillerde, hücreler diğer pil sistemlerinde olduğu gibi enerjiyi üretmek ve depolamaktan birincil derece sorumlu üç 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. Bu 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. Bu amaçla, elektrot malzemeleri yüksek iletken metal folyolar üzerine lamine edilir veya 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. Tekrar şarj edilebilir 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.
