Piller -5- Yüksek Güç Kaynağı Lityum İon

Taşınabilir cihazlarda en çok kullanılan lityum-iyon pil tipi kobalt temellidir. Pil kobalt oksit pozitif elektrot (katot) ve eksi olarak ta grafit karbon elektrottan (anot) meydana gelir. Kobalt temelli pillerin en büyük avantajı yüksek enerji kapasitesine sahip olmalarıdır. Uzun süre çalışabilme özellikleri de bu pilleri cep telefonlar, kamera ve dizüstü bilgisayarlar için vazgeçilmez hale getirmiştir. Günümüzde yaygın olarak kullanılan kobalt temelli pillerin sorunu da düşük bir deşarj akımı sağlayabilmesidir. Yüksek akım çeken bir yük bağlandığında pil ısınmaya başlar ve ısı yükseldikçe pil çevre için tehlikeli hale gelir. Bu pil tipi için kullanılan kontrol devreleri güvenliği sağlamak için şarj ve deşarj akımını pil kapasitesine eşit olarak sınırlarlar.

Yani eğer pilimiz 2400mAh’lik bir 18650 ise bu pilin şarj edilebileceği ve çekilebilecek en yüksek akım da 2400mA ile sınırlanır. Başka bir sorun ise pil yaşlandıkça ya da şarj-deşarj döngü sayısı arttıkça iç direncinin de artmasıdır. Çoğunlukla 2-3 yıl kullanımdan sonra iç direncin artmasından dolayı yük altında gerilim düşmeleri sonucu pil kullanılmaz hale gelir. Şekil-1’de kobalt oksidin kristal yapısını görebilirsiniz.

Şekil 1: Yapısal olarak lityum kobalt oksidin kristalin katodu katmanlardan oluşur. Lityum iyonları bu oluşum içinde kobalt okside bağlı olarak dururlar. Deşarj sırasında katot dan anoda akan lityum iyonları şarj sırasında anottan katoda akarlar.

1996’da araştırmacılar lityum manganez oksit’i katot olarak kullanmayı başardılar. Bu madde üç boyutlu bir spinel yapı oluşturarak elektrotlar arasında iyon akışını arttırıyordu. Yüksek iyon akımı da iç direnci düşürdüğü için hücreden daha fazla enerji çekimine olanak sağlıyordu. Şarj ve deşarj döngüleri iç direncin düşük kalmasına katkıda bulunurlar. Manganez oksit bileşimli piller yaşlanma etkisi ve hizmet ömrü olarak kobalt bileşimli olan pillerle benzeşirler. Kobalt sistemlerle kıyaslandığında spinelin ısıl kararlığı daha yüksek olduğu için daha basit güvenlik devrelerine gereksinim duyar. Düşük hücre iç direnci sayesinde daha hızlı bir şarj-deşarj döngüsüne sahiptir. 18650 tipi spinel yapılı bir lityum-iyon pil 20-30A akım ile deşarj edilirken bile çok düşük seviyede bir ısınma görünür. Hücrenin kapasitesinin iki katına kadar bir akımın bir saniyelik kısa süreli darbeler halinde çekilebilir. Ama hiç bir zaman hücre ısısının 80°C’yi geçmemesine dikkat edilmelidir.

Şekil 2: Lityum manganez oksidin katot kristalleri üç boyutlu bir yapıya sahiptirler. Bu spinel yapılanma baklava şekillerinin bir kafes şeklinde bir araya gelmesi ile hücrenin ilk yapılanma sürecinde oluşur. Bu sistem yüksek bir iletkenlik ama düşük bir enerji yoğunluğu sağlar.

Hep üstünlüklerinden bahsettiğimiz spinel pillerin tabi ki zayıf tarafları da var. Bunların en önemlisi ise kobalt bazlı piller ile karşılaştırıldığında daha az düşük kapasiteye sahip olmaları. Bir spinel pil 18650 boyutunda yaklaşık 1200mAh sağlar ki bu da aynı boyutta bir kobalt pilin verdiğinin yarısı kadardır. Ama öte yandan da aynı ebattaki bir nikel pilden %50 daha fazladır.

Şekil 3: 18650 hücre.
En çok kullanılan bu hücrenin çapı 18mm ve boyu da 65mm’dir.

Lityum-iyon pil tipleri

Lityum-iyon pillerin teknoloji olarak ürün olgunluğuna eriştiğini söylemek için henüz erken, hatta emekleme çağını bile yeni geçmiş diyebiliriz. Her gün ortaya yeni bir gelişme, farklı bir çözüm çıkıyor. Bu günün lityum-iyon pillerinde grafit karışımından yapılan bir anot ile lityum ve diğer metallerin alaşımından oluşan bir katot kullanılıyor.Teorik olarak bir pil içinde kullanılan bütün maddelerin bir enerji potansiyeli vardır. Lityum-iyon pillerde anot tasarım olarak en mükemmele eriştirilmiş, tasarım değişiklikleri ile daha fazla kazanç elde edilmesi olanağı nerede ise kalmamıştır diyebiliriz. Ama buna karşılık katot ise hala büyük umutlar verebilecek kadar geliştirilebilmeye açık görünmektedir. Ve bu nedenle günümüzdeki pil araştırmaları katotlar ve katotlarda kullanılan malzemeler üzerine yoğunlaşmıştır. Katotların yanında hücrelerde anot ve katot arasında reaktif madde olarak kullanılan elektrolitikler üzerinde de araştırmalar devam ediyor.Günümüzde pil endüstrisi pillerde yılda %8-10 arası bir kapasite artışı sağlayabiliyor ve bu artışın devam edeceği öngörülüyor. Ama entegreler içinde kullanılan transistor sayısının her 18-24 ayda ikiye katlanacağını öngören Moore kanununa kıyasla çok yavaş olan bir gelişme sayılır. Eğer Moore kanunu pillere de uygulanabilse aynı boyuttaki bir pilin her 2 senede kapasitesinin ikiye katlaması gerekirdi. Ama lityum-iyon örneğinde aynı ebat içinde kapasitenin iki kez arttırılabilmesi için 10 yıl gerekmiştir.Günümüz lityum-iyon pilleri çeşitli boy ve şekil ve kimyasal bileşenlerle piyasaya çıkıyor. Ama bütün bu çeşitlilik çoğunlukla katot yapımında kullanılan madde ve bileşimlerle sınırlı. Alttaki tabloda piyasada bulunan lityum-iyon pil özelliklerini bulacaksınız. Tabloyu basitleştirmek için pilleri dört gurup halinde (Co-kobalt, Mn-manganez, NiCoMn-nikel-kobalt-manganez ve fosfat) sınıflandırdık.

Yapı	Nominal gerilim	Şarj gerilimi	Şarj-Deşarj kapasite katsayısı(K)	Enerji yoğunluğu Wh/kg	Uygulama	Not
Co	3,6V	4,2V	1K azami	110-190	Cep telefonu, kamera, dizüstü bilgisayar	1990 dan beri portatif cihazlarda kullanılıyor, yüksek enerji depolama kapasitesi var
Mn	3,7-3,8V	4,2V	devamlı 10K darbeli 40K	110-120	El aletleri ve tıbbi cihazlar	Düşük iç direnç, yüksek akım ve hızlı şarj olanağı ama düşük enerji kapasitesi
Ni-Co-Mn	3,7V	4,1V*	devamlı ~5K darbeli 30K	95-130	El aletleri ve tıbbi cihazlar	NiCoMn karışımı, yüksek akım ya da yüksek kapasite arasında tercih gerekiyor
Fosfat	3,2-3,3V	3,6V*	devamlı 35K	95-140	El aletleri ve tıbbi cihazlar	Yeni, yüksek akım veriyor ve döngü sayısı da yüksek.

* -Daha yüksek gerilim ile şarj edildiğinde daha fazla kapasite üretiyor ama ömrü de o derece kısalıyor.

Kobalt bazlı ilk lityum-iyon pil 1991’de Sony tarafından piyasaya sürüldü. Yüksek enerji yoğunluğuna sahip olduğu için çok hızlı kabul gördü. Spinel yapılı piller ise daha düşük olan enerji yoğunlukları nedeni ile piyasada kabul görebilmek için daha uzun bir savaş verdiler. 1996’larda piyasaya çıktığında piyasanın önceliği uzun süre enerji sağlamak üzerine yoğunlaştığı için soğuk karşılandı. Ama zamanla taşınabilir cihazlarda daha yüksek enerjiye gerek duyulması spinel yapısını bir anda piyasanın yıldızı haline getiriverdi. Günümüzde bu tip pillere olan talebin yoğunluğu nedeni ile üreticiler piyasanın gereksinimini karşılamakta büyük zorluklar çekiyorlar. Tabi ürün böyle daha üretilmeden hazır bir alıcı kitlesine sahip olunca tanıtımı için reklam yapılmasına da gerek duyulmuyor ve dolayısı ile de son kullanıcılar tarafından fazla bilinmiyor. E-One Moli Energy (Kanada) silindirik spinel lityum-iyon pillerin en önde gelen üreticisi ve 18650 ve 26700 tiplerinde uzmanlaşmış durumdalar. Spinel-bazlı lityum-iyon pillerin diğer önde gelen üreticileri ise Sanyo, Panasonic ve Sony.Sony’nin ağırlık verdiği gurup ise nikel-kobalt-manganez. Bu pil katot yapısında kristal halinde bulunan kobalt, nikel ve manganez bileşimine lityum eklenerek elde edilir. Sony bu bileşimi çok geniş bir ürün yelpazesinde yüksek enerji veya aşırı akım gerektiren gereksinimlere cevap verecek şekilde sunuyor. Tabi daha önce yazdıklarımızı hatırlarsanız bu iki özelliği aynı pilde sahip olmak şu an, ve belki de yakın gelecek, için imkansız. Yukarıdaki tabloda dikkat etti iseniz NiCoMn pillerin şarj gerilimi hücre başına 4,1Volt’tur, yani kobalt ve spinel yapılı olan pillerden 0,1 Volt daha düşük. 4,2 Volt ile şarj etmek her ne kadar daha fazla enerji birikimi sağlayacak olsa da buna karşılık pilin döngü ömrünü çok kısaltır. Laboratuar ortamında 4,1 Volt ile 800 defa şarj-deşarj döngüsü sağlayan hücreler 4,2 Volt ile şarj edildiklerinde 300 döngüye düşmüşlerdir.Lityum-iyon ailesinin en yeni üyesi ise A123 Sistemidir. Bu pilde katoda nano-fosfat maddeler ilave edilmiştir. İddiaya göre bu pil piyasada bulunan bütün lityum-iyon piller içinde W/kg oranı olarak en yoğun enerjiye sahip olanıdır. Pil 35K (35xKapasite) yük altında %100 deşarja dayanabilir ve darbeli yüklerde 100K’ye kadar dayanabilir. Fosfat bazlı sistem hücre başına 3,3 Volt gerilim üretir ve şarj gerilimi olarak 3,6 Volt’a dayanabilir. Bu değerler kobalt bazlı lityum-iyon pillerden daha düşüktür ve hücreler kendilerine ait özel şarj devreleri gerektirir.

Şekil 4’te bu üç lityum-iyon gurubu pillerin ve piyasada bulunan diğer tiplerin enerji yoğunluğu karşılaştırmasını bulacaksınız. Yakından bakış manganez ve fosfat bileşimlerinin diğer eski bileşimlere karşın daha gelişmiş olduğunu gösteriyor. Ama kobalt ile kıyaslandığında manganez ve fosfat piller hem daha dengelidirler hem de daha fazla akım verebilirler.

Şekil 4: Pil guruplarının enerji yoğunlukları.Lityum-kobalt en yüksek enerji yoğunluğuna sahip. Ama kobalt ile kıyaslandığında manganez ve fosfat piller hem daha dengelidirler hem de daha fazla akım verebilirler.

Enerji Yoğunluğu ve Güç Yoğunluğu tanımları nedir?

Enerji Yoğunluğu (Wh/kg) bir pilin depolayabileceği en yüksek enerji miktarını tanımlar.Enerji yoğunluğu yükseldikçe pilin enerji verebilme süresi de ona paralel olarak artar. Kobalt katotlu lityum-iyon piller en yüksek enerji yoğunluğu sağlayan pil tipidir. Bu tip piller cep telefonları, kameralar ve dizüstü bilgisayarlarda kullanılırlar.

Güç Yoğunluğu (W/kg) ise pil pilin istendiğinde sağlayabileceği en yüksek gücü tanımlar. Burada tanımlanan ani güç yüklenmesi sırasında sağladığı güçtür. Buna örnek olarak bir matkabın çelik bir plakayı delerken çektiği gücü örnek gösterebiliriz, boşta çalışırken çektiğini değil. Manganez ve fosfat bazlı lityum-iyon piller ile nikel bazlı piller bu tanıma en çok uyan ve en yüksek gücü sağlayan pillerdir. Güç Yoğunluğu yüksek piller el aletlerinde, tıbbi cihazlarda ve vasıtalarda (forklift, hibrit arabalar gibi) kullanılırlar.

Enerji ve güç yoğunluğu bir plastik su şişesi kullanarak değişik bir anlatımla tanımlayabiliriz. Şişenin boyutları enerji yoğunluğu ve ağız çapı da güç yoğunluğu diyelim. Büyük bir şişe çok su saklayabilir, geniş bir ağız ise suyun akış debisinin çoğalmasını sağlar. Geniş akış ağzı olan büyük bir şişe en ideal çözümdür. Ama tabi henüz pil üreticileri şişe üreticileri için çok kolay olan bu çözümü pillere uygulamayı beceremediler…….

Gerilim karmaşası

Son 10 yıldır lityum-iyon piller için geçerli olan hücre gerilimi 3,60 Volt’tur. Bu değer üç adet nikel bazlı pilin seri bağlandığında elde edilen gerilime eşittir ve tasarımcılara nikelden lityuma geçişte kolaylık sağlamaktadır. Lityum pillerde hücre gerilimini daha yükseltmek dolayısı ile de Watt/saat değerini arttırmak kağıt üzerinde çekici görülse de tasarım kolaylığı sağladığı için 1,2 Volt’un katsayısı olan 3,6 Volt cihaz üreticileri tarafından tercih ediliyor.

Lityum-iyon hücrelerdeki “ağırlıklı gerilim” (nominal voltage) dediğimiz 3,6 Volt değeri bulmak için pili 4,2 Volt olan tam şarj değerinden tam deşarj değeri dediğimiz 3,0 Volt’a 0,5K yük altında deşarj ederken en uzun okunan ortalama değeri alırız.

Düşük iç direncinden dolayı spinel pillerden okunan ortalama değer kobalt bazlı pillerinkinden yüksek olacaktır. Saf bir spinel pil en düşük iç dirence ve 3.8Volt ağırlıklı ortalama gerilime sahiptir.

Ilımlı kullanımla pil ömrünü uzatmak

Özenli kullanım pillerin ömrünü uzatmak için en iyi yoldur. Yüksek şarj gerilimleri, sık şarj etmek ve aşırı yükleme pillerin ömrünü kısaltan en önemli üç olgudur. Ne kadar çok zorlanırlarsa pillerin ömrü de o kadar kısalır. Pillerinizin çalışma ömrünü uzatmak için sizlere şu önerilerde bulunabiliriz;

-Pilinizin 4,2 Volt seviyesinde fazla tutulmamasına dikkat etmelisiniz. Uzun süre yüksek gerilim altında kalmak, bilhassa çevre ısısı da yüksekse, kullanılan maddelerde bozulmaya yol açabilir. Spinel’ler yüksek gerilimden diğerlerine nazaran daha az etkilenir.

-Kobalt bazlı lityum-iyon piller için hücre başına 3.92 Volt en ideal üst gerilimdir. Bu gerilim ile şarj edilen pillerin döngü ömürleri yaklaşık iki katına çıkmaktadır. Savunma endüstrisinde (askeri) kullanılan lityum-iyon daha uzun ömür sağlamak için piller daha düşük gerilimle şarj edilirler.

-Lityum-iyon pillerin şarj akımı aşırı olmamalıdır (kobalt bazlı lityum-iyon piller için bu 0,5K’dir). Düşük şarj akımı pilin tepe geriliminde (4,20 Volt) kalacağı süreyi azaltacaktır. Üstelik 0,5K ile gereken şarj süresi 1K ile geçecek süre arasındaki fark çok az olacaktır. Yüksek akım ile şarj pilin gerilimini çok kısa zamanda limite çıkaracaktır.

-Lityum-iyon piller aşırı deşarjla edilmemelidirler bu pillerde kristalleşmeye neden olur. Bunun yerine tam boşalmadan tekrar ve sık sık şarj edilmelidirler. Lityum-iyon pillerde nikel-kadmiyum pillerdeki “hafıza etkisi” yoktur ve nikel bazlı pillerdeki gibi kendilerini toparlamaları için tam boşalana kadar deşarj edilmeleri gerekmez.

-Lityum-iyon pilleri hiç bir şekilde soğuk ve ya dondurucu ortamlarda şarj etmeyiniz. Bu şartlarda her he kadar şarj kabul ediyor görünseler de aslında olan gerçekleşen plakaların lityum metali ile kaplanmasıdır ve bu pillerin dengesiz ve dolayısı ile de tehlikeli duruma gelmelerine neden olur.

Ilımlı şarjın yanında ılımlı deşarj da pilin ömrünü uzatır. Alttaki şekilde pil ömürlerinin 1K, 2K ve 3K şarj altındaki farkları gösteriyor.

Şekil 5: Şarj-deşarj döngüsü ile pil ömrünü ilişkisi.
Ilımlı şarjın yanında ılımlı deşarj da pilin ömrünü uzatır.

Pil konusunda uzmanlar şarj-deşarj döngüsünden başka etkenlerin de lityum-iyon pillerin ömrünü kısalttığı konusunda hemfikirler. Ne kadar dikkatli bir kullanımla pil ömrünü uzatmayı amaçlasak ve dikkat etsek de pillerin kullanım yerleri ve kullanıldığı ortamlar her zaman ideal olmuyor. Nasıl insanlar yaşamlarını uzatabilecek ideal ortamları her zaman bulamıyorlarsa piller de aynı problem ile karşı karşıya kalabiliyorlar.