Hayatımızın pek çok yerinde Li-ion pillerle karşı karşıyayız. Kol saatinden laptoptaki bataryaya hatta güncel teknolojide kullandığımız otomobillerde dahi görmekteyiz. Gelecekteki hava taşıtlarında bile bu kullanımı görmemiz söz konusu olabilir.
Pil nedir?
İki farklı kimyasal maddenin arasında bulunan gerilim farkından dolayı açığa elektrik akımı çıkmasını sağlayan aygıtlardır.Kimyasal enerjiden bazı elektrokimyasal reaksiyonlar sonucu elektrik enerjisi elde edilir. Tek kullanımlık piller genellikle Çinko-Karbon pillerdir. Şarj edilemezler. Fakat Li-ion pillerde durum farklıdır. Şarj edilebilirlerdir. Bu piller 4 ana bileşenden oluşur:
1. Anod (-) kutup: Negatif elektrot, pozitif elektrottan daha düşük bir redoks potansiyeline sahiptir ve elektronlar deşarj işlemi sırasında dış devre yoluyla çıkar. Deşarj işlemi sırasında yükseltgenme reaksiyonunun ortaya çıkmasından dolayı anot olarak da adlandırılabilir. Biraz önce de bahsedildiği gibi, eğer bir şarj işlemi durumu söz konusu olursa, negatif elektrot indirgenme reaksiyonunun sonucu olarak bir katot gibi davranabilir.
2. Seperatör: Fiziksel olarak, pozitif ve negatif elektrotlar hücre içerisinde olası bir kısa devreyi önlemek adına elektronik olarak izole edilirler. Kısa devre, iki elektrodun birbirlerine teması sonucu ortaya çıkar. Seperatör bu ayrımı yaptığı gibi, istenen iyonik iletkenliği korumak adına elektroliti geçirgen olmalıdır. Bazı durumlarda elektrolit dökülmeyecek şekilde sabitlenmektedir. Dâhili direnci azaltmak için elektriksel olarak iletken ızgara yapıları veya malzemeleri de elektroda eklenebilir.
3. Elektrolit: Hücre içerisinde pozitif elektrot ve negatif elektrot arasında iyonik olarak yük aktarımı için ortan sağlar. Elektrolitler genel olarak, iyonik iletkenlik kazandırmak için tuzlar, asitler veya alkalilerin su veya başka bir çözelti içerisinde çözündürülmesiyle oluşur. Bazı pillerde, hücrenin çalışma sıcaklığına bağlı olarak iyonik iletken katı elektrolitler veya jel tipi polimer elektrolitler de kullanır.
4. Katot(+) kutup: Pozitif elektrot, negatif elektrottan daha yüksek bir redoks potansiyeline sahiptir ve elektronlar deşarj işlemi sırasında dış devre yoluyla girer. Deşarj işlemi sırasında indirgeme reaksiyonunun meydana gelmesinden dolayı katot olarak adlandırılabilir. Söz konusu durum şarj işlemi ile açıklandığı zaman ise, yükseltgenme reaksiyonu gerçekleştiği için pozitif elektrot bir anot işlevi görür. Bu yüzden tanımlamalar deşarj işlemleri referans alınarak yapılacaktır.
Deşarj sırasında elektronlar negatif elektrot tarafından serbest bırakılır ve dış devre yoluyla pozitif elektrota doğru bir akış işlemi gerçekleşir. Negatif elektrot oksitlenir yani yükseltgenir, pozitif elektrot ise redüklenir yani indirgenir ve kimyasal enerji elektrik enerjisine dönüştürülmüş olur. Bir pilin deşarj kapasitesi, belirli bir akıma ve zamana göre taşınan elektron sayısıyla ifade edilir. Şarj işlemi sırasında ise, elektronlar pozitif elektrottan, dış devre yoluyla negatif elektrota doğru taşınır. Pozitif elektrot oksitlenir yani yükseltgenir, negatif elektrot ise redüklenir yani indirgenir ve elektrik enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülür ve pilde saklanır.
Şarj edilebilir pillerin şarj prosesi esnasında metalik lityumun yüzeyi orijinalinden daha geniş yüzey alanına sahip poroz yapıdaki bir tabaka ile kaplanır. Pilin tekrar eden şarj ve deşarj reaksiyonlarında yüzey alanının artmasıyla, metalik lityumun termal kararlılığı azalır. Lityum anot üzerinde oluşan yüksek yüzey alanına sahip lityum dendritler seperatör boyunca büyüyerek katoda ulaşırlar. Böylece hücre içerisinde kısa devre oluşum riski ortaya çıkar.
Tesla’da Durum Nasıl?
Piller 3 tipe ayrıştırılabilir. Birincisi Tesla’nın kullanığı silindir hücrelerdir. İkinci olarak Türkiye’nin Yerli Otomobili TOGG’da kullanılacak olan ve diğer elektrikli araçlarda kullanılan prizmatik hücrelerdir.Bir diğeri ise poşet hücrelerdir. Hepsinin ortak özelliği ise içinde kullanılan pil şeritleridir. Bu pil şeridi silindirik şekilde sarılırsa silindir hücre, dikdörtgen halinde sarıp prizmatik bir kutuya koyuldugunda ise prizmatik hücre ve gelişi güzel sarıp bir poşet içine konuldugunda ise poşet hücre elde edilmektedir.
Pil şeridine bakılırsa en üst katmanda bir Alüminyum ve bunun üstüne kaplanan katot malzemesi yer alır. Tesla’da bu katot malzemesi Nikel- Manganez- Kobalt karışımından (Li- NMC) yapılan bir malzemedir. Katot altına bir seperatör katmanı yerleştirilir. Bakırın üzerine yapılan bir kaplamayla da anot oluşturulur.
Genellikle bir pil hücresinin max kapasitesi 4.2 V olarak kabul edilir. Voltajı tepkime sırasında düşerken akım ortaya çıkartıyor. Pilin bittiği kabul edildiği 2.8 V civarlarına ulaştığında ise yönetim sistemleri tarafından güç kesilir. Bu aralıkta açığa çıkan akım ise bu pilin kapasitesi olarak kabul edilir. Bütün Dünya’nın aradığı şey ise bu pil kapasitesini arttırabilmek ve bu pilin aşağıdaki metriklerden en optimum şekilde çalışabilmesidir.
Eskime/Kapasite Azalma
Lityumun, yüksek voltaja, yüksek kapasiteye sahip olması (3,86 Wh/kg) ve geniş bir sıcaklık aralığında kullanılabilirliği, onu hem birincil hem de ikincil piller için ideal bir elektrot malzemesi haline getirmiştir. Lityum anotlar birincil piller için yeterince güvenilir olmasına rağmen, şarj edilebilir piller için aynı durum söz konusu değildir. Şarj edilebilir pillerin şarj prosesi esnasında metalik lityumun yüzeyi orijinalinden daha geniş yüzey alanına sahip poroz yapıdaki bir tabaka ile kaplanır. Pilin tekrar eden şarj ve deşarj reaksiyonlarında yüzey alanının artmasıyla, metalik lityumun termal kararlılığı azalır. Lityum anot üzerinde oluşan yüksek yüzey alanına sahip lityum dendritler seperatör boyunca büyüyerek katoda ulaşırlar. Böylece hücre içerisinde kısa devre oluşum riski ortaya çıkar.
Metalik lityumun giderilmesi ve yerini iyonik lityumun (Li+) alması bu problemlerin çoğunu çözmektedir. Lityum iyon konsepti metalik lityumun yerini grafit gibi interkalasyon bileşenlerinin almasını içermektedir. Karbon bazlı anot malzemeleri elektrot/elektrolit yüzeyini kararlı hale getirir ve lityum metalinin çalışma voltaj aralığı dışında çalışma olanaklarını da sağlar. Tipik katot interkalasyon bileşenleri LiCoO2, LiMn2O4 ve LiFePO4 gibi geçiş metal oksitleridir. Bu katot malzemeleri, latisleri içerisinde lityum metali içerirler buna bağlı olarak şarj sırasında lityumun harcanması ve deşarj sırasında geri kazanılmasıyla yüksek valanslı oksidasyona maruz kalırlar.
Tesla’nın Pil Hücreleri
Piyasada bilinen 18650 Li-ion pillerin ismi boyutlarından gelmektedir. 18mm çap ve 65 mm yüksekliğe sahip silindir hücre kullanılmaktadır. Tesla’nın hücre bazındaki tercihi laboratuvar ortamından yeni çıkmış Li-ion hava pilleri vs. gibi bir teknolojiyi denemek yerine, yıllardır süre gelen bir teknolojiyi geliştirerek kullanmaktan yana olmuştur. Tesla, bu konuda Dalhousie Üniversitesi Fizik ve Atmosfer Bilimi ve Kimya Bölümü Profesörü Jeff Dahn ile çalışmalar yürütmüştür.
Uzun araştırmalar sonucunda elektrolit çözeltisi içerisine ilave edilen Florin (fluorine-F) ve Vanillincarbonate, şarj-deşarj esnasında veya yüksek gerilim altında dahi istemeyen elektrokimyasal reaksiyonları meydana gelmediği görülmüştür. Ayrıca katotun üzerine çok ince bir alüminyumoksit malzeme ile kapladıgında, dendiritik oluşumların engellediğini gözlemlemişlerdir. Bu sayede Tesla laboratuvarda, 4.2V yerine 4.4 V’ a kadar şarj edip- deşarj edilebiliyor ve şarj ömürlerinde kapasite ve hızlı eskime yaşanmıyor. %25-30 civarında kapasite gelişimi söz konusudur. Üreticinin gelecekteki hedefleri, mevcut Model 3’ün kablo kesitlerini, pil geometrisini, batarya paketinin konfigürasyonunu ( termal yönetim, diziliş şekli vb.) değiştirmeden yaklaşık %33 kapasite artışı elde etmek olacaktır. Bu da Model 3’e 650 km’lik bir EPA menzil ile piyasaya çıkabileceği anlamına gelmektedir. Ayrıca Model S vs Model X’te kullanılan 18650 hücreler hala Japonya’da Panasonic tarafından üretilen ve sektörde sıkça bulunan bu piller, Model 3’e benzeyen paketlerle (2170) ile donatıldığı düşünüldüğünde ve üstüne bu yeni kimyanın getirdiği 4.4V’a kadar hücre kapasitesi arttırımı ve eskime oranı düşmesinin de hesaba katıldığında ileride 800 km menzile sahip makyajlı bir Model S/ Model X’i görebilme ihtimalinin yükseldiğini tahmin etmek zor değildir.
Öbür elde, katotta Li-NCA kullanımı, anotta bakır üzerine grafit kaplama kullanımı ve elektrolite ilave edilen katkı maddeleri ile katottaki Kobalt miktarını azaltmayı hedeflemektedir. Kobalt, Afrika’da genellikle çocuk işçilerin çalıştırıldığı ve savaş koşullarının olduğu madenlerde çıkartılmaktadır. Tesla, bu olayı etik bulmadığı ve maliyet açısından ekonomik olmadığı için Kobalt kullanımını minimize etmeye çalışmaktadır.
Kaynakça
- http://teslaturk.com/
- Tokur, Mahmud, Çok Bileşenli Hibrit Nanomimarili Silisyum/Grafen/Karbon Nanofiber Negatif Elektrotların Geliştirilmesi. Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Doktora Tezi, 2019.
güzel yazı, teşekkürler