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
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.
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.