Yaklaşık 30 yıl gibi bir süredir hayatımızda olan lityum iyon bataryaları, kimi araştırmacılara göre gelişimini tamamlamış olsa da Tesla gibi büyük üreticiler ve üniversiteler tarafından geliştirilmeye devam ediyor. Elektronik cihazların çoğunda kullanılan lityum iyon bataryaları hakkında genel bilgi ve 2020 yılındaki gelişmeler yazımızın devamında.
Küçük, taşınabilir elektronik cihazların gelişimi ve yaygınlaşması, güçlü batarya teknolojisinin gelişimini beraberinde getirdi. 1990’lardan beri, lityum iyon bataryalar (Li-ion bataryalar veya LIB’ler), nikel bazlı benzerlerini hep geride bırakarak, donanım silahlanma yarışında öncü olarak ortaya çıktı. Ancak elektronik cihazların fonksiyonları gün geçtikçe artıyor. Dolayısıyla batarya teknolojisi de gelişimine devam etmek zorunda. Gelin lityum iyon teknolojisini daha yakından tanıyalım.
Lityum İyonun Avantajları
Lityum iyon, metalik alternatiflerle karşılaştırıldığında çalışma ve şarj sırasında daha kararlı bir davranış gösteriyor. Lityum iyon bataryalar metal öncüllerinin daha yüksek yoğunluklarına rağmen, nikel-kadmiyumdan oluşan bataryalardan iki kat daha fazla enerji yoğunluğuna sahip. Lityum iyon bataryaları, bu durumun yanı sıra aşağıdaki avantajlara da sahip olduğu için oldukça tercih ediliyor.
►Tek hücreli yapı ve konsolidasyon sunması.
►Lityum iyon bataryalarının bakımı için bellek veya gerekli şarj planlaması olmaması.
►Lityum iyon bataryaları dinlenme sırasında yavaş deşarj olur.
►Lityum iyon bataryaları nispeten güvenli müdahale etme olanağı sunar.
►Lityum iyon teknolojisi çeşitli uygulamalar için özelleştirilebilir hücre konfigürasyonları da sunmaktadır.
Şekil 1: Li-ion Bataryaların Diğer Batarya Türlerine Göre Karşılaştırılması
Li-ion teknolojisi genellikle avantajlı bir maliyet-enerji oranı sunar, ancak bazı lityum-iyon batarya türleri (prizmatik ince gibi çeşitleri) daha pahalıdır. Lityum iyon bataryaları uzun bir raf ömrüne sahip olmasının yanı sıra değişiminin de kolay olmasıyla birlikte tüketicilerin göz bebeği.
Lityum İyonun Dezavantajları
Lityum iyon bataryaları diğer teknolojilerle karşılaştırıldığında daha ağır olma eğilimindedir. Bu durum cep telefonlarının tasarımları üzerindeki tartışmalarda oldukça öne çıkıyor. Çoğu kullanıcı tüm gün (veya birkaç gün) pil ömrünü tercih ederken, bazı kullanıcılar en üst düzeyde taşınabilirliği tercih eder. Bazı cihazlar, daha yüksek miliamper-saat (mAh) derecelerine sahip hücreleri barındırmak için giderek daha büyük tasarımla dizayn edilmeye başladı. Bu durum taşınabilirliği oldukça etkiliyor.
Lityum iyon bataryaları, kullanım açısından oldukça güvenlidir ancak kullanım ömürlerini olabildiğince uzatmak ve korumak için çeşitli önlemler gereklidir. Bu önlemler koruma devreleri aracılığıyla sağlanır. Koruma devreleri, voltajı ve akımı stabil tutarak bataryaları korur. Lityum iyon teknolojisi bu tarz koruma önlemlerine sahip ve pasif boşalmanın yavaş olmasına rağmen eskimesi ve yaşlanması büyük ölçüde durdurulamıyor.
Lityum kaynakların yeterliliği lityum iyon teknolojisi için büyük bir soru işareti oluşturuyor. Mühendisler, lityum iyon bataryaları için öncelikle dünyanın en çok bulunan 33. elementini kullanıyor. Ancak Green Tech Media’nın 2015 yılında yaptığı bir araştırmaya göre en kötü senaryoda 17 yıl yetecek kadar kaynağımız olduğu görülüyor. Lityum iyon bataryalarının şekillendirilmesi şu an için zor bir işlem olduğu için dahili bileşen düzenlerini kısıtlıyor. Lityum iyon bataryalarıyla çalışan mühendisler geliştirdikleri cihazlarda şasi sıkıntıları, cihazın işlevselliğinin azalması ve yaratıcı ürün tasarımı gibi durumlarla karşı karşıya kalıyorlar. Peki, bu dezavantajları ortadan kaldırmak için 2020 yılında neler yapıldı ?
2020 Yılında Yapılan Lityum İyon Bataryalarındaki Gelişmeler
Bazı üreticiler ve mühendisler, lityum iyon bataryalarının biçimlendirme sorununun üzerine gitti ve yaratıcı hücre konfirügasyonu içeren küçük cihazlar geliştirmeye çalıştı.
Tesla “Plakasız Batarya” Projesini Duyurdu
Li-ion teknolojisinin gelişimine çok şey katan Tesla 2006’dan beri lityum iyon bataryası teknolojisini geliştiriyor ve mevcut Li-ion sorunlarını yaratıcı yollarla hafifletmeye çalışıyor. Tesla, termal gremlinlerle mücadele etmek ve güç çıkışını artırmak için tasarladığı “Plakasız Batarya” projesini duyurdu. Bataryalardaki plakalar, büyük hücrelerde güç aktarımında çok önemlidir ancak elektrik yolunu uzatır.
Elektrik yolunun uzaması performansı düşürürken ısı üretimini artırır. Plakaları kaldıran ve içselleştirilmiş bir spiral matris oluşturan Tesla, gücü doğrudan Li-ion malzeme aracılığıyla aktarmayı başardı. Tesla’nın açıklamalarına göre elektrik yolu kısaltıldı, çalışma sıcaklığı düşürüldü, beş kat daha fazla enerji yoğunluğu, altı kat daha fazla güç ve % 16 daha fazla menzil elde edildi.
Stanford Üniversitesi Sıvı Elektrolitler Yerine Katı Malzemelerin Kullanılmasını Önerdi
Tipik bir lityum iyon bataryası, aradaki boşluğu dolduran sıvı elektrolitler ile iki elektrottan oluşur. Bu sıvı uçucudur. Delikler veya kısa devreler tutuşmaya neden olabilir. Bazı üreticilerin tasarımları özellikle hassastır. Tipik bir lityum iyon bataryası, enerji transferine izin verirken elektrotları aralıklı tutan bir ayırıcı içeriyor. Samsung Galaxy Note 7’de ortaya çıkan kendiliğinden yanma sorunu bu sıvının uçuculuğundan kaynaklandı.
Stanford Üniversitesi araştırmacıları katı malzemelerin sıvı elektrolitler için değerli bir alternatif olabileceğini düşünüyorlar. Katı malzemelerin daha uygun maliyete sahip olması bu düşünceyi güçlendiriyor. Lityum, bor ve kükürt makine öğrenimi taramaları sayesinde uygulanabilecek malzemeler olarak zirveye çıktı. Katıların dayanıklılığı ve birçok döngü boyunca parçalanmaya direnebilme özelliği, katıların çok daha uzun süre iletken olabileceği fikrini destekliyor. Ayrıca kısa devre çok daha az gerçekleşir. En büyük zorluk, sıvılar ile katılar arasındaki iletkenlik boşluğunu kapatmak olacak gibi duruyor.
Güney Dakota Eyalet Üniversitesinin Lityum-Nitrür Kaplaması
Lityum metali batarya araştırmaları için oldukça önemli. Ancak anotlar için kullanıldığında bu malzemenin uzun vadeli güvenilirliği sorgulanabilir. Bataryalarda kullanılan folyo, zamanla dendrit adı verilen keskin çıkıntılar oluşturuyor. Bu dendritler, ayırıcıyı delebileceği için kısa devre ve yangınlara neden olabilir.
Güney Dakota Eyalet Üniversitesindeki bilim insanları anot ve ayırıcı arasındaki yeni bir lityum-nitrür kaplamanın dendrit büyümesini durdurabileceğini öne sürüyor. Plazma işlenmiş lityum-nitrür kaplamasıı, bataryanın uzun süreli iyonik iletkenliğini de destekler. Lityum metal bataryalar bu kaplama ile daha fazla popülerliğe ve mekanik güce sahip olacak. Ayrıca kapasitelerini daha etkin bir şekilde koruyacaklar.
Lityum İyon Bataryalarının Geleceği
Birçok araştırmacı lityum iyon bataryalarının daha fazla gelişemeyeceğini düşünürken dünyanın önde gelen şirketleri ve üniversiteleri aksini kanıtlıyor. Lityum iyon bataryaları olgunlaşmış bir teknolojidir. Ancak gelişimi halen devam ediyor ve lityum iyon bataryaları gün geçtikçe daha ekonomik hale geliyor. Ancak gelişim ve tüketim çok hızlanırsa küresel lityum rezervleri potansiyel bir tehditle karşı karşıya kalabilir. Bu durumda malzeme mevcudiyeti, maliyet tasarrufu ve çevre dostu olma gibi özelliklere sahip sodyum iyon alternatifleri ilgi odağı haline gelebilir.
Kaynak: allaboutcircuits.com
https://www.elektrikport.com/ 17.10.2020
