Lityum Pillerin Gelişimi ve Yapısı

Lityum pil, 20. yüzyılda başarıyla geliştirilen yeni bir yüksek enerjili pil türüdür. "Karbon nötrlüğü" ve "karbon zirvesi" önerileriyle birlikte, lityum pil her kesimden ilgi odağı haline gelmiştir. Bugün, CHNL sizi lityum pilin gelişimi ve yapısını anlamaya yönlendirecek.

Lityum Pillerin Tanıtımı

Lityum piller, lityum elementleri (metal lityum, lityum alaşımları, lityum iyonları, lityum polimerleri dahil) içeren piller olarak anlaşılabilir ve lityum metal piller (çok nadiren üretilen ve kullanılan) ile lityum iyon piller (günümüzde yaygın olarak kullanılan) olarak ayrılabilir. Yüksek özgül enerji, yüksek pil voltajı, geniş çalışma sıcaklığı aralığı ve uzun depolama ömrü nedeniyle, cep telefonları, taşınabilir bilgisayarlar, video kameralar, kameralar gibi askeri ve sivil küçük elektrikli cihazlarda yaygın olarak kullanılmış ve kısmen geleneksel pillerin yerini almıştır.

Lityum Pillerin Kökeni ve Gelişimi

1970'lerde Exxon'dan M.S. Whittingham, pozitif elektrot malzemesi olarak titanyum sülfür ve negatif elektrot malzemesi olarak metalik lityumu kullanarak ilk lityum pili yaptı.
1980'de J. Goodenough, lityum kobalt oksidin lityum pilleri için katot malzemesi olarak kullanılabileceğini keşfetti.

1982'de Illinois Teknoloji Enstitüsü'nden (Illinois Institute of Technology) R.R. Agarwal ve J.R. Selman, lityum iyonlarının grafiti içine girme (interkalasyon) özelliğine sahip olduğunu ve bu sürecin hızlı ve geri dönüşümlü olduğunu keşfettiler. Aynı zamanda, metalik lityumdan yapılan lityum pillerin güvenlik tehlikeleri büyük ilgi çekti. Bu nedenle, insanlar grafitte gömülü lityum iyonlarının özelliklerini kullanarak şarj edilebilir piller yapmayı denediler. İlk kullanılabilir lityum iyon grafit elektrotu Bell Laboratuvarları'nda başarıyla denendi.

1983'te M. Thackeray, J. Goodenough ve diğerleri, mangan spinelinin mükemmel bir katot malzemesi olduğunu, düşük fiyatlı, stabil, mükemmel iletkenlik ve lityum iletkenliğine sahip olduğunu buldular. Ayrışma sıcaklığı yüksektir ve oksitleyici özelliği lityum kobalt oksidden çok daha düşüktür. Kısa devre veya aşırı şarj durumunda bile yanma ve patlama tehlikesini önleyebilir.
1991'de Sony ilk ticari lityum pilini piyasaya sürdü. Sonrasında, lityum piller tüketici elektroniğinin yüzünü değiştirdi.

1996'da Padhi ve Goodenough, lityum demir fosfat (LiFePO4) gibi olivin yapısına sahip fosfatların geleneksel katot malzemelerinden daha üstün olduğunu keşfettiler, bu yüzden günümüzde ana akım katot malzemeleri haline geldiler.
Lityum iyon piller (Li-ion Piller), lityum pillerden geliştirilmiştir. Bu yüzden Li-ion'u tanıtmadan önce, önce lityum pilleri tanıtalım. Örneğin, düğme hücre pili bir lityum pilidir. Lityum pilin pozitif elektrot malzemesi manganez dioksit veya tiyonil klorürdür ve negatif elektrot lityumdur. Pil monte edildikten sonra voltajı vardır ve şarj edilmesi gerekmez. Bu tür piller şarj edilebilir, ancak döngü performansı iyi değildir. Şarj ve deşarj döngüsü sırasında, lityum dendritleri oluşması kolaydır ve bu da pilin iç kısa devresine yol açar, bu yüzden genel olarak bu tür pillerin şarj edilmesi yasaktır.

Daha sonra, Japonya'dan Sony Corporation, negatif elektrot olarak karbon malzemesi ve pozitif elektrot olarak lityum içeren bir bileşik kullanan bir lityum pil icat etti. Şarj ve deşarj sürecinde metalik lityum yoktur, sadece lityum iyonları vardır. Bu, bir lityum iyon pilidir.
1990'ların başında, Japonya'nın Sony Enerji Geliştirme Şirketi ve Kanada'nın Moli Energy Şirketi, sadece iyi performans göstermeyen, aynı zamanda çevreyi kirletmeyen yeni lityum iyon pilleri başarıyla geliştirdi. Bilgi teknolojisinin hızlı gelişimi, taşınabilir makineler ve elektrikli araçlar ile yüksek verimli güç kaynaklarına olan talep hızla arttı ve lityum piller en hızlı büyüyen alanlardan biri haline geldi.

Lityum Pilin Yapısı

Lityum pillerin ana bileşenleri:
(1) Pozitif elektrot - aktif malzemeler esas olarak lityum kobalt oksit, lityum manganat, lityum demir fosfat, lityum nikelat, lityum nikel kobalt manganat vb. içerir. İletken akım toplayıcı genellikle 10-20 mikron kalınlığında alüminyum folyo kullanır;
(2) Diyafram - lityum iyonlarının geçişine izin veren ancak elektronik yalıtkan olan özel bir plastik film. Şu anda başlıca PE ve PP ve bunların kombinasyonları vardır. Ayrıca alümina kaplama gibi inorganik katı diyafram türleri de vardır;

(3) Negatif elektrot - aktif malzeme esas olarak grafit, lityum titanat veya benzer grafit yapısına sahip karbon malzemesi olup, iletken akım toplayıcı genellikle 7-15 mikron kalınlığında bakır folyo kullanır;
(4) Elektrolit - genellikle organik sistemdir, örneğin lityum hekzaflorofosfatın çözüldüğü karbonat çözücü ve bazı polimer piller jel elektrolit kullanır;
(5) Pil kutusu - esas olarak iki tipe ayrılır: sert kutu (çelik kutu, alüminyum kutu, nikel kaplı demir kutu vb.) ve yumuşak kutu (alüminyum-plastik film).

Pil şarj edilirken, lityum iyonları pozitif elektrottan çıkarılır ve negatif elektrota girer, deşarjda ise tam tersi olur. Bu, montajdan önce bir elektrotun lityum interkalasyon durumunda olmasını gerektirir. Genellikle, lityuma göre potansiyeli 3V'dan yüksek ve havada stabil olan lityum interkalasyonlu geçiş metali oksidi pozitif elektrot olarak seçilir, örneğin LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Negatif elektrot malzemesi olarak, lityum potansiyeline mümkün olduğunca yakın potansiyele sahip interkalasyonlu lityum bileşiği seçilir, örneğin doğal grafit, sentetik grafit, karbon fiber, mezofaz küresel karbon gibi çeşitli karbon malzemeleri ve SnO, SnO2, SnBxPyOz (x=0.4～0.6, y=0.6～0.4, z=(2+3x+5y)/2) gibi metal oksitler.
Elektrolit, LiPF6 etilen karbonat (EC), propilen karbonat (PC) ve düşük viskoziteli dietil karbonat (DEC) ve diğer alkil karbonatların karışık çözücü sistemini kullanır.

Diyafram, PE, PP veya bunların kompozit filmi gibi poliolefin mikroporöz film kullanır, özellikle PP/PE/PP üç katmanlı diyafram sadece düşük erime noktasına sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda yüksek delinme direncine sahiptir ve termal sigorta görevi görür.
Kasa çelik veya alüminyumdan yapılmıştır ve kapak montajı patlamaya karşı koruma ve güç kesme işlevine sahiptir.
İşte bugün lityum piller hakkında tüm bilgiler bu kadar. 1970'te lityum pillerin doğuşundan bu yana hızla gelişmiştir. Lityum piller hayatımızın her alanına nüfuz etmiş ve gelecekte hala büyük gelişme potansiyeline sahiptir.
Umarım yukarıdaki içerik size faydalı olmuştur, daha fazla bilgi sürekli güncellenecektir, bir sonraki sayıda görüşmek üzere.