LİTYUM AKÜLER

Lityum-İyon'a Giriş

Lityum-iyon piller 1980'li yıllarda keşfedilmiş ve 1991 yılında ticarileştirilmiştir. Son 10 yıldır, lityum iyon aküler çok farklı sektörlerde başlıca enerji depolama teknolojisi olarak kullanılmaktadır. Lityum iyon aküler, konvansiyonel akü kimyalarına göre (kurşun-asit akü, nikel-kadmiyum akü, jel akü v.s) birçok avantaja sahiptir. Teknolojideki ilerleme, hızlı tüketim ve günümüz dünyasındaki sürdürülebilirlik hamleleri ile birlikte akü enerji depolama sistemlerinde daha güvenli ve güçlü akülere ihtiyaç duyulmaktadır. Lityum elementi enerji yoğunluğu bakımından en iyi seçenektir. (Wh/Kg) ve eklenen diğer farklı elementler ile birlikte oldukça güvenli ve kararlı bir yapı elde etmektedir. Her geçen gün lityum tabanlı, farklı kimyadaki akü ve piller geliştirilmektedir.

Lityum İyon Piller Nedir?

En basit haliyle, bir lityum iyon hücre (pil), iki malzeme arasında lityum iyonlarını aktaran bir negatif elektrot (anot) ve bir pozitif elektrot (katot) içeren bir yapıdan oluşur. Lityum iyonları deşarj sırasında anottan katoda hareket eder ve kendilerini lityum ve diğer metallerden oluşan pozitif elektrotta biriktirir (araya girer). Şarj sırasında bu işlem tersine çevrilir.

Lityum iyon piller(hücreler) fiziksel yapılarına göre; silindirik, prizmatik veya kese tipinde olabilir. Hücreler boyut ve şekil bakımından farklılık gösterir; bazıları plastik, bazıları ise alüminyum kasalardadır. Ayrıca Lityum iyon piller kullanım amaçlarına göre; enerji hücreleri, güç hücreleri ve çevrim hücreleri olmak üzere kendi aralarında ayrışır. Hangi fiziksel yapıda ve hangi tür pil kullanılacağı tamamen yapılacak uygulamaya / projeye bağlıdır.

Her bir lityum iyon pilin çalışabileceği güvenli bir voltaj aralığı vardır. Bu aralık, pilde kullanılan kimyaya ve uygulamaya bağlıdır. Örneğin, %0 Şarj Durumunda (SOC) bir LFP pil 2,5V ve %100 şarj durumunda (SOC) da 4,2V'dur. Hücrenin voltajı 2.5V'un altına düştüğünde ve hücrenin voltajı 4.2V'un üzerine çıkarıldığında kalıcı olarak hasar görür. Bu değerler pilin güvenli çalışma aralığı olarak kabul edilir. Belirtilen 2.5V SOC' nin altına inmek elektrotların bozulmasına ve lityum iyon pilin aşırı deşarj (derin deşarj) olması olarak kabul edilir. Bir hücre tekrar tekrar aşırı deşarj olursa, pile kalıcı olarak zarar veren birçok soruna neden olur. Aynısı, belirtilen %100 SOC'nin üzerine çıkan bir hücre için de geçerlidir. Bu iki konu dikkat edilmesi gereken başlıca maddelerden birisidir.

Lityum-iyon Aküler, çok basit bir şekilde anlatmak gerekirse; birbiriyle seri ve paralel bağlanmış hücre (pil) gruplarından ve bir BMS (Battery Management System)’ten oluşur. Örneğin, nominal gerilimi 3,2V ve kapasitesi 100Ah olan bir LFP (LiFePO4) hücresini ele alalım. Hücreler tek başına kullanılamaz, hücreleri birbirleri ile gruplayarak daha yüksek voltaj ve kapasite elde etmemiz gerekir. Peki bu nasıl yapılır? Voltajını artırmak için hücrelerin seri bağlanması gerekir. Kapasiteyi arttırmak için hücreler paralel bağlanmalıdır. Örneğin, 12V / 300Ah kapasiteli bir LFP lityum aküye ihtiyacımız olduğunu varsayalım; LFP hücrelerin 3 adet paralel ve 4 adet seri bağlantı yapılması gerekecektir. Bu şekilde elimizde 12,8V / 300Ah bir LFP lityum akü olmuş olacak.

Akülerde(Bataryalarda) Temel Kavramlar

Anot : Anot, hücredeki negatif(-) elektrottur. Lityum iyon pillerde, genellikle bir grafit tozu olan lityum ve karbondan oluşması çok yaygındır. Elektrotla birleştirilen bakır film sayesinde akım toplanabilir. Anotun saflığı, partikül boyutu ve homojenliği, yaşlanma davranışına ve kapasitesini etkiler.

Katot : Katot, pozitif(+) elektrottur. İşte burada tüm farklı kimyalar devreye giriyor. Katot, genel lityum kimyasını belirleyen şeydir. Anot gibi, bir akım toplayıcı malzeme ile birleştirilir, böylece elektron akışı meydana gelebilir. Katot tipik olarak bir alüminyum film ile birleştirilir. Yukarıda gösterildiği gibi birçok farklı kimya vardır. Aralarındaki temel fark, elektrolit (termal kaçak) ile reaksiyona girdikleri sıcaklık ve ürettikleri voltajlardır.

Elektrolit: Elektrolit, lityum iyonlarının plakalar arasında transferini sağlar. Tipik olarak, etilen, karbonat ve dietil karbonat gibi farklı organik karbonatlardan oluşur. Farklı karışımlar ve oranlar, hücrenin uygulamasına bağlı olarak değişir. Örneğin, düşük sıcaklıklı bir uygulama için elektrolit çözeltisi, oda sıcaklığındaki bir ortam için yapılana kıyasla daha düşük bir viskoziteye sahip olacaktır. Lityum tuzları elektrolit karışımında esastır, tuz çözeltinin iletkenliğini belirler ve katı elektrolit ara yüzünün (SEI) oluşumuna yardımcı olur. Lityum pillerde, lityum heksaflorofosfat (LiPF6) en yaygın lityum tuzudur. LiPF6, suyla karıştırıldığında hidroflorik asit (HF) üretebilir. SEI, lityum metal ve elektrolit arasındaki kimyasal bir reaksiyondur.

Seperatör : Lityum-iyon hücre ayırıcılar, anot ve katodun doğrudan temasını önleyen gözenekli plastik filmlerdir. Filmler genellikle 20 µm kalınlığındadır ve şarj ve deşarj işlemi sırasında lityum iyonlarının geçmesine izin veren küçük dökülmelere sahiptir. Bir "kapatma" ayırıcısı en yaygın olanıdır. Bu ayırıcı, hücre sıcaklık aralığının dışına çıktığında veya kısa devre oluştuğunda, lityum iyonlarının geçmesini önlemek için gözenekleri kapatır. Separatörler, hücrelerin kapasitesini arttırırken güvenliği artırmak için bugün geliştirilmeye devam ediyor.

Akü Şarj Durumu(SOC) : Lityum akülerde, akünün içerisindeki kalan kapasiteyi "yüzde" cinsinden ifade eder.

DOD (Discharge of Dept): Lityum akünün yüzdesel olarak ne kadar deşarj edildiğini ifade eder.

Çevrim Ömrü (Cycle Life) : Belirlenen kriterler dahilinde bir akünün kaç defa tam şarj / deşarj edilebilirliğini ifade eder.

Enerji Yoğunluğu : Hacimsel ve kütlesel olarak bir akünün depolayabileceği enerji miktarını ifade eder. (w/kg , w/cm³)

C Değeri (C rate) : Bir lityum akünün kapasitesine göre şarj ve deşarj oranını ifade eder.

Lityum İyon Pil Kimyalarının Türleri

Lityum tabanlı enerji depolama sistemlerinde hücre kimyaları her geçen gün artmaktadır.Fakat şuan ve önümüzdeki 10 yılda ticari olarak kullanılabilen 3 hücre kimyasından bahsedebiliriz.

Lityum nikel manganez kobalt türevleri (NMC)
Lityum demir fosfat (LiFePO4)
Lityum titanat (LTO)

LTO çok uzun bir ömre ve geniş bir sıcaklık aralığına sahiptir. Çok yüksek şarj ve deşarj akımlarını kaldırabilirler. ( Raylı sistemler, vb.)

NMC ,ağırlık ve hacmin önemli olduğu uygulamalarda kullanılan kimyadır. (Elektrikli araç, otonom sistemler, taşınabilir güç kaynakları, vb.)

LFP , yoğun kullanım ve zorlu ortamlara sahip endüstrilerde popülerdir. Oldukça yüksek maliyet avantajı sağlar. (İstif makinaları, yenilenebilir enerji depolama sistemleri, vb.)

Pil Yönetim Sistemi (Battery Management System, Akü Kontrol Kartı)

Lityum akülerin beynidir. Temel görevi, aküyü korumak ve olumsuz bir durumda lityum aküyü korumaya alarak sistemi kapatmaktır. Voltaj, akım ve sıcaklığı kontrol eder. Haberleşme protokollerini içerisinde barındırır.