Hayatımızı değiştiren teknoloji: Lityum iyon bataryalar

Cep telefonları, bilgisayarlar, tabletler gibi taşınabilir her türlü elektronik alete güç veren hatta son yıllarda otomobiller, motosikletler, bisikletler ve drone gibi hava araçlarında dahi karşımıza çıkan lityum iyon bataryalar hiç şüphesiz ki son yılların en büyük icatlarından birisi. Toplumsal yaşamımıza farkında olmasak dahi çok büyük etkide bulunan lityum iyon piller, 2019 yılında mucitlerine Nobel Kimya Ödülü kazandırarak önemini ortaya koydular. Peki neden bu kadar önemli bu piller, daha önceki pillerin yapamadığı neyi başardılar?

Bataryalar nasıl çalışır?

Öncelikli olarak bataryalardan başlayalım. Bataryalar kimyasal olarak enerjiyi depolayan ve bu enerjiyi elektriksel forma dönüştürüp verebilen aygıtlardır. Tüm piller aşağı yukarı benzer prensiplerle çalışır. Pillerin biri anot, diğeri katot olarak adlandırılan iki ana bileşeni vardır. Anot (negatif elektrot) yükseltgenme tepkimesinin meydana geldiği elektrottur yani anot malzemesi elektron vererek yükseltgenir. Katot (pozitif elektrot) ise indirgenme tepkimesinin meydana geldiği elektrottur yani katotta kullanılan malzemeler elektron alarak indirgenir. Anot ve katodun arasında ise elektrolit olarak adlandırılan ve iyonların yani elektriksel olarak yüklü parçacıkların taşınmasını sağlayan bir madde bulunur. Elektrotları birbirine bağlayan iletken tel ise elektronların anottan katoda doğru akmasını sağlar. Bu sayede devre tamamlanır, elektrik akımı oluşur ve aygıt çalışır.

Pillere ve elektriğe ilişkin bilgiler daha eskilere gitse de ilk pil İtalyan fizikçi Alessandro Volta tarafından geliştirildi. Bakır ve çinko plakalarının arasına tuzlu suya batırılmış süngerler yerleştiren Volta elektrik akımı elde etmeyi başardı. Böylelikle Volta pili denilen ilk elektrokimyasal pil bulunmuş oldu.

Kurşun asit piller

Volta’nın icadından bu yana birçok pil çeşidi geliştirildi. Ancak bunlardan en önemlisi kurşun asit pillerdi. 1859 yılında Fransız fizikçi Gaston Plante tarafından geliştirilen kurşun asit piller şarj edilebilir ilk batarya olma özelliğini taşıyor. Sülfürik asit içerisine daldırılan bir kurşun anot ve bir kurşun dioksit katottan oluşan pilde her iki elektrotun asitle reaksiyona girmesiyle anottaki elektronlar serbest kalır. Katotta ise aynı reaksiyon elektronları tüketir. Böylelikle elektronlar anottan katoda akarak elektrik akımı üretilmiş olur. Kurşun asit bataryalar günümüzde dahi aynı temel prensiple çalışıyorlar. Enerji yoğunlukları ve ömürleri düşük olsa da uygun fiyatı sayesinde bugün dahi hala bize hizmet ediyorlar.

Lityum iyon bataryaları özel yapan ne?

Kurşun asit bataryalardan sonra birçok şarj edilebilir batarya çeşidi geliştirildi. Nikel kadmiyum, Nikel metal hidrür gibi bataryalar hayatımızda önemli yer ettiler. Ancak hepsinin önemli bir kusuru vardı: Enerji yoğunluklarının düşük olması. Lityum bataryaların bu kadar önemli olmasının ve mucitlerine Nobel ödülü kazandırmasının en önemli sebebi bu. Diğer bataryalara göre daha az hacim ve ağırlıkta daha fazla enerji sağlayabilmesi. Bu enerji yoğunluğu lityum metalinin kimyasal özelliklerinden ileri geliyor. Periyodik tabloda birinci grupta hidrojenin hemen altında bulunan lityum, özgül ağrılığı en düşük olan metal olma özelliği taşıyor. Hafifliğinin yanı sıra oldukça reaktif bir element olması, kolaylıkla elektron verip lityum iyonları oluşturabilmesi de onu çok iyi bir batarya malzemesi yapıyor.

Lityum iyon bataryaların tarihçesi

Tarihi 1960’lara kadar uzanan lityum iyon bataryaların geliştirilmesinde birçok bilim insanının katkısı oldu. Tarihin bir cilvesi olarak petrol devi ExxonMobil’in lityum pillerin geliştirilmesinde büyük katkıları oldu. 1976’da ExxonMobil’de çalışan M. Stanley Whittingham ilk şarj edilebilir lityum iyon pili geliştiren kişi oldu. Katotta titanyum sülfür, anotta ise lityum metal kullanan araştırmacının ürettiği pil hem çok pahalıydı ve hem de havasız ortamda çalışmak zorundaydı. Havayla reaksiyona giren pil zehirli gaz olan hidrojen sülfür üretiyordu. Dolayısıyla yaygınlık kazanamadı.

1979’da Oxford Üniversitesi’nden John B. Goodenough ve Tokyo Üniversitesi’nden Koichi Mizushima katot materyali olarak lityum kobalt dioksit (LiCoO2) kullanan ilk lityum iyon pili geliştirdiler. Lityum kobalt dioksit lityum iyonlarını sağlayan stabil bir katot malzemesi olduğu için anot tarafında lityum metal kullanma zorunluluğu ortadan kalktı. Böylelikle stabil ve kullanımı kolay anot malzemelerinin kullanımı mümkün hale geldi. Bu gelişme lityum iyon pillerin ticarileşmesinin önü açtı.

1985 yılında Akira Yoshino karbonlu materyalin içine lityum iyonlarının girebileceğini göstererek anotta asetilen siyahı, katotta ise lityum kobalt oksidi kullanarak şarj edilebilir lityum iyon batarya geliştirdi. Anotta karbonun kullanılması lityum kobalt oksidin güvenliğini dramatik olarak arttırdı ve 5 sene sonra Sony’nin ilk ticari bataryayı piyasaya çıkarmasını sağladı.

1990 yılında Fransız Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi’nden Rachid Yazami, lityum iyon piller için grafit anot ve sıvı elektrolit geliştirmek üzere Sony ile işbirliği yaptı ve sonunda “sihirli” etilen karbonat çözücüyü keşfetti. Bu keşif ile yumuşak karbon, anot malzemesi olarak kullanılarak lityum iyon bataryaların enerji yoğunluğu iki katına çıktı (155 Wh/kg).

1991 yılında Sony ve Japon kimya firması Asahi Kasei ilk ticari şarj edilebilir lityum iyon bataryaların satışına başladı. Ticari bataryaların geliştirilmesini sağlayan ekibin başındaki isim ise Yoshio Nishi idi.

2019 yılında ilk lityum iyon bataryayı geliştiren M. Stanley Whittingham, ilk defa katot materyali olarak lityum kobalt oksidi kullanan John B. Goodenough ve karbonun anot materyali olarak kullanılabileceğini gösteren Akira Yoshino lityum iyon pillere yaptığı katkılardan dolayı Nobel Kimya Ödülü’ne layık görüldüler.

Lityum iyon pil çeşitleri

Lityum iyon bataryaların geliştirilmesinde arada atladığımız sayısız bilim insanının katkısı oldu ve olmaya da devam ediyor. 1970’lerden günümüze birçok çalışma ile sayısız bileşik içeren kimyasal formülün denenmesi sonucu birçok lityum batarya çeşidi geliştirildi. Şimdi bu batarya çeşitlerine değinelim.

Lityum kobalt oksit (LiCoO2) – LCO

Yukarıda da bahsettiğimiz gibi lityum kobalt oksit bataryalar (LCO) ticari olarak ilk geliştirilen lityum iyon batarya olma özelliğini taşıyor. Katotta lityum kobalt oksit, anotta ise karbon grafit bulunuyor. Enerji yoğunluğu yüksek olan LCO bataryalar görece düşük ömre ve düşük termal stabiliteye sahipler. Aynı zamanda yoğun güç sağlama konusunda da yetersiz kalıyorlar. LCO bataryalar genel olarak cep telefonu, tablet ve laptop gibi elektronik cihazlarda karşımıza çıkıyor. LCO bataryalar yüksek oranda kobalt içerdikleri için yerini günümüzde daha az kobalt içeren nikel manganez kobalt (NMC) ve Nikel kobalt alüminyum oksit (NCA) bataryalara bırakmaya başladı.

Lityum manganez oksit (LiMn2O4) – LMO

İlk olarak 1996’da ticari kullanıma geçen LMO bataryalar adını katot materyali olarak kullanılan lityum manganez oksit bileşiğinden alıyor. Üç boyutlu spinel yapıya sahip mimarisi sayesinde elektrot üzerinde iyon akışı kolaylaştığı için LMO bataryalar düşük iç dirence ve yüksek akımla baş etme kapasitesine sahipler.  Yüksek termal stabiliteye sahip LMO bataryalar güvenli lityum bataryalar arasında yer alıyor. Ancak hem şarj döngüsü hem de takvim ömrü diğer bataryalara göre düşük kalıyor. LMO bataryalar LCO bataryalardan üçte bir oranında daha düşük kapasiteye sahip. Dolayısıyla enerji yoğunluğunu arttırmak adına yaygın olarak NMC bataryalar ile harmanlanarak kullanılıyor. Nissan Leaf, Chevy Volt ve BMW i3 gibi araçlarda bu tip piller kullanıldı. Bataryaların LMO kısmı (%30) yüksek akım verebilmesi sayesinde hızlanmayı sağlarken, NMC kısmı uzun menzil elde etmeyi sağlıyor.

Lityum nikel manganez kobalt oksit (LiNiMnCoO2) – NMC

NMC bataryalar günümüzde kullanılan en başarılı lityum iyon batarya türlerinden biri. Katotta nikel manganez ve kobalt kombinasyonu kullanan bataryalar yüksek güç ve enerji yoğunluğuna sahipler. Anot tarafında diğer lityum iyon bataryalar gibi grafite sahip olan NMC bataryalara silikon eklenerek kapasiteleri daha da arttırılabiliyor. Ancak bu durumda güç kapasitesi ve batarya ömründen feragat ediliyor.

Nikel, bataryaların enerji yoğunluğunu arttırmada önemli bir element ancak düşük stabiliteye sahip. Mangan ise spinel yapısı sayesinde düşük iç dirence sahip fakat enerji yoğunluğu düşük. Bu iki metal kombine edince birbirlerinin güçlerini arttırıyorlar.

NMC tipindeki bataryalar elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılan batarya tipidir. Kullanılan metalin oranına göre isimlendirilirler. Örneğin 5 birim nikel, 3 birim mangan, 2 birim kobalt kullanılan bataryalar NMC532 olarak adlandırılıyor. Kobalt pahalı ve kısıtlı bir element olduğu için üreticiler kobalt miktarını düşürmeye çalışıyorlar. Bu nedenle düşük kobalt oranına sahip NMC811 tipindeki bataryalar günümüzde yaygınlaşmaya başladılar.

Lityum demir fosfat (LiFePO4) – LFP

LFP bataryalar 1996 yılında Teksas Üniversitesi’nde fosfatın katot materyali olarak kullanılabilmesinin keşfedilmesi sonucu geliştirildiler. Lityum fosfat, bataryalarda düşük iç direnç ve iyi elektrokimyasal performans sağlıyor. LFP bataryaların temel özelliği yüksek akım verebilmesi ve uzun ömre sahip olması. Bunun yanında termal olarak stabil ve güvenli bataryalar arasında yer alıyor.

LFP bataryalar yüksek şarj seviyelerinde diğer lityum iyon bataryalara göre strese daha dayanıklı yapıdalar. 3.2 volt ile diğer lityum iyon bataryalardan daha düşük voltaj seviyesinde olsalar da bu voltajı düz bir şekilde verebiliyorlar. LFP’lerin en büyük dezavantajı enerji yoğunluğunun düşük olması. Ancak diğer avantajları ve düşük üretim maliyeti nedeniyle otomobillerde gün geçtikçe artan oran da kullanılmaya başlandılar. Uzun ömürleri nedeniyle özellikle sabit depolamada en çok tercih edilen batarya türü haline geldiler.

Lityum nikel kobalt alüminyum oksit (LiNiCoAlO2) – NCA

1999 yılından beri özel uygulamalar içi kullanılan NCA bataryalar tıpkı NMC gibi yüksek kobalt seviyesi dolayısıyla yüksek enerji yoğunluğuna sahipler. Nispeten yüksek güç ve ömre sahip bataryalar güvenlik ve maliyet konusunda ise zayıf not alıyorlar. Tesla’larda kullanılan Panasonic bataryalar NCA türündeler.

Lityum titanat (Li2TiO3) – LTO

Genellikle lityum iyon bataryalar katot malzemesinden isimlerini alırlar. Ancak LTO bataryalar bir istisna olarak anot malzemesinden isimlerini alıyorlar. 1980’lerden beri bilinen LTO bataryalarda anotta grafit yerine titanyum bileşiği olan lityum titanat yer alıyor. Katotta ise LMO veya NMC kullanılıyor. Yüksek güç verebilen ve hızlı şarj olabilen LTO bataryalar, çok yüksek ömre sahipler. Aynı zamanda en güvenli piller arasında yer alıyorlar. Soğuk havalarda da çok iyi performans gösteriyorlar ancak enerji yoğunlukları lityum iyon bataryalar arasında en düşük seviyede. Üstelik çok pahalılar. Kullanım alanları özel amaçlı elektrikli güç aktarma organları, UPS’ler ve güneş panelli sokak lambaları olarak sıralanıyor.

Bataryaların karşılaştırması

Lityum iyon bataryaları karşılaştıracak olursak NCA bataryalar enerji yoğunluğu anlamında zirvede yer alıyor. Ancak sağlayabildikleri güç bakımından LMO ve LFP bataryalar öne çıkıyorlar. LTO bataryalar ise düşük enerji yoğunluğuna rağmen çok uzun ömürleri ve soğuk performanslarıyla öne çıkıyorlar. NMC bataryalar ise bütün alanlarda ortalama ve üstü performansı ile diğerlerinden sıyrılıyor. LFP bataryalar da maliyet, uzun ömür ve güvenlik parametreleriyle diğerlerinden ayrılıyor. Özetle her batarya çeşidi sahip olduğu avantaj ve dezavantajlara göre az ya da çok bir kullanım alanı buluyor.

Günümüzde yenilenebilir enerjiye, elektrifikasyona ve elektro mobiliteye yönelim nedeniyle bataryalara büyük ihtiyaç var. Bu sebeple hem lityum tabanlı hem de başka maddeleri kullanan, daha yüksek kapasiteli, uzun ömürlü ve ucuz bataryalar üzerinde çalışılıyor. Silikon anotlu lityum iyon bataryalar, katı hal bataryaları, sodyum iyon ve lityum sülfür bataryalar gibi gelecek vadeden birçok alternatif batarya türü üzerinde çalışmalar devam ediyor. Gelecekte hangi tür bataryaların hakim olacağını bilemeyiz ancak günümüzde lityum iyon bataryaların hayatımızda çok önemli bir yer tuttuğu aşikar.