Şarj Edilebilir Pil Nasıl Çalışır? Lityum İyon Pilin İçine Yolculuk

Telefonlar, dizüstü bilgisayarlar, kablosuz kulaklıklar, elektrikli arabalar: Yanımızda taşıdığımız neredeyse her şey aynı tür pille çalışıyor. Her gece milyarlarca insan onları prize takıp dolduruyor. Peki bir pil şarj olurken içinde gerçekte ne oluyor ve birkaç yıl sonra neden giderek daha az dayanıyor?

Pil, kontrollü bir kimyasal tepkimedir

Bir pilin iki elektrodu vardır: biri eksi, biri artı. Aralarında, iyon denen yüklü atomların geçmesine izin veren ama elektronları engelleyen bir elektrolit bulunur. Elektronlar bir taraftan diğerine ancak telefonunuz gibi dışarıdaki bir devreden geçerek ulaşabilir. Bu elektron akışı, cihazı çalıştıran elektrik akımıdır.

Sıradan tek kullanımlık bir pilde kimyasallar tükenir ve iş biter. Şarj edilebilir bir pilde ise tepkime tersine çalıştırılabilir.

Lityum iyon pilin içi

• Eksi elektrot genellikle grafittir: bir kitabın sayfaları gibi üst üste dizilmiş karbon atomu katmanları.
• Artı elektrot, örneğin kobalt, nikel, mangan ya da demir içeren, lityumlu bir metal oksittir.
• İnce, gözenekli plastik bir ayırıcı onları ayrı tutar; sıvı bir elektrolit de her yeri ıslatır.

Şarj ederken: Şarj aleti elektronları grafite iter. Yükü dengelemek için lityum iyonları metal oksitten ayrılır, elektroliti geçer ve grafit katmanlarının arasına kayar. Pil artık “dolu”dur: Çok miktarda lityum rahatsız, yüksek enerjili bir konumda depolanmıştır.

Kullanırken: Telefonu açtığınızda lityum iyonları metal okside geri akar; elektronları da oraya ulaşmak için telefonun devrelerinden geçer. Lityumun çoğu artı tarafa döndüğünde pil “boş”tur.

İyonlar basitçe ileri geri gidip geldiği için bazı mühendisler bunlara “sallanan sandalye” pilleri der.

Neden lityum?

Lityum en hafif metaldir ve elektronunu çok kolay verir. Bu da küçük ve hafif bir pakette çok fazla enerji depolanabileceği anlamına gelir. 2019 Nobel Kimya Ödülü, lityum iyon pili geliştirdikleri için John Goodenough, M. Stanley Whittingham ve Akira Yoshino’ya verildi. İlk ticari sürümü Sony 1991’de satışa sundu.

Piller neden yıpranır?

Her döngü küçük ve geri dönüşsüz değişikliklere yol açar. Grafitin üzerinde katı elektrolit ara fazı denen ince bir film büyür ve bir miktar lityumu hapsederek hareket edemez hâle getirir. Elektrotlar her şarjda hafifçe genleşip büzülür ve minik çatlaklar oluşur. Yüzlerce döngü sonunda pil daha az yük tutar ve daha az güç verebilir; eski bir telefonun soğukta ya da pil azken aniden kapanmasının nedeni budur.

Lityum iyon pillerin yıpranması üzerine yapılan araştırmalara göre en büyük etkenler yüksek sıcaklık, pili uzun süre çok yüksek doluluk seviyesinde tutmak ve derin boşaltmalardır. Bu da birkaç basit alışkanlık doğurur:

• Telefonunuzu sıcaktan uzak tutun: sıcak arabalar, doğrudan güneş ve şarj sırasında yastık altı.
• Telefonunuzda varsa optimize ya da sınırlı şarj ayarını kullanın; bu ayar pili çoğu zaman %80 civarında tutar.
• Pili sıfıra kadar bitirmek yerine sık ve kısmi şarjları tercih edin.

Özetle

• Lityum iyon pil, enerjiyi lityum iyonlarını iki elektrot arasında taşıyarak depolar.
• Şarj iyonları grafite iter; kullanım onların metal okside geri akmasını sağlar.
• Elektronlar cihazın devresinden geçerek akımı oluşturur.
• Lityum en hafif metaldir; bu yüzden küçük bir hacimde çok enerji depolar.
• Piller, her döngüdeki küçük geri dönüşsüz yan tepkimeler yüzünden yaşlanır.
• Isı, uzun süre %100’de kalmak ve derin boşaltmalar yaşlanmayı hızlandırır.