Hepimizin bildiği ve günlük hayatta neredeyse her yerde kullandığımız Li-Ion bataryalar nasıl çalışıyor hiç düşündünüz mü? Bir fikriniz yoksa gelin birlikte öğrenelim.

Piller en genel tabiri ile kimyasal enerjiyi elektrik enerjisini çeviren, ve bu enerjiyi bünyesinde tutabilen yapılardır. Bir pil, gerekli voltaj ve kapasiteyi sağlamak için seri veya paralel bağlanan birkaç elektrokimyasal hücreden meydana gelir. Her bir hücre, iki elektrot arasında iyon transferini sağlayan ayrışmış tuzları içeren bir elektrolit çözeltisi ile ayrılan pozitif ve negatif bir elektrottan (her iki kimyasal reaksiyon kaynağından) oluşur.Amaç enerji depolamak ve istendiği zaman bu enerjiyi kullanmaktır. Enerji depolama işlemi 4 başlık altında incelenebilir. Mekanik, elektriksel, kimyasal ve elektro kimyasal. Li-Ion piller ise elektrokimyasal ve kimyasal başlıkları altında kendisine yer bulur.

Peki pillerimizde bulunan mAh ve V değerleri neyi temsil etmektedir ? Bu yazıyı okurken eğer laptop ya da akıllı telefon kullanıyorsanız bu cihazlar enerjilerini Li-Ion pillerinden almaktadırlar. Farklı cihazlarda farklı mAh (kapasite) ve farklı V (gerilim) değerleri bulunmaktadır. Burada kullanılan mAh ya da miliampere-hour, pillerin tek seferde toplam ne kadar enerji depolayabildiğini gösterir. Çoğu telefon (tabi ekran boyutu, donanım özelliklerine göre değişir.) 3200 mAh civarlarında kapasiteye sahiptir.  Örneğin telefonunuz 320 miliamper güç tüketiyorsa, sizin telefonunuz 10 saat boyunca bu pille çalışır demektir. (Kapasite ve boşalma çok farklı kimyasal reaksiyonlara bağlı olduğu için hesap kabacadır.) Peki buradadaki 3200 mAh değeri nasıl hesaplanır?

´∁=n×F×1000/((Mw×3600) )) (mAh/g)   burada n 1mol de ki Li+ iyonu sayısını, F=faraday sabiti (96485 C/mol) Mw, elektrotta kullanılan aktif malzemenin moleküler ağırlığıdır. Bu hesaba göre pillerinizdeki kapasite hesaplanır ve bu hesaba göre piller tasarlanır.

Yanda ki şekilde Li-Ion pilinin nasıl çalıştığı gösterilmiştir. Şekli takip ederek bu pilin nasıl şarj edildiğini anlatmaya çalışalım. Şekilde ki sistem şarj edilmeye başladığı andan itibaren katotta bulunan LiMO2 (Lityum metal oksit malzemesi) katmanlarındaki atomların valans bandındaki (son yörüngesindeki elektron) iletim bandına geçerek (fermi enerjisine ulaştığında) akım oluşturmaya başlar. LiMO2 den kopan her elektron Li+ iyonunu serbest bırakır. Serbest kalan pozitif Li iyonları elektrolit malzemesi sayesinde anoda doğru yol alır. Böylece Li+ iyonları anoda bağlanır, serbest kalan elektronlar akım yolunu izleyerek yine anotta birleşir ve toplanır. Katottan ayrılacak daha fazla Li+ iyonu kalmayana kadar şarj devam eder. Teorik olarak tüm Li+ iyonları anoda geçtiğinde şarj %100 olur. Şarj ve Deşarj işlemleri çok farklı kimyasal faktörlere bağlıdır. Bizim anlattığımız olaylar tamamen kabaca 🙂 derinlere girersek kimyaya boğuluruz. Şimdi sırada deşarj olayı var. Pil, anotta depoladığı elektronları harcarken anlattığımız olayların tam tersini gerçekleştirir ve elektronlar akım oluşturarak örnek verelim telefonumuzu çalıştırı. Li+ iyonları ise tekrar katota döner. Tabi termodinamik kanunları peşimizi bırakmıyor. Biz sürekli telefona elektron veriyoruz yanı bu kadar giden elektron pilden ne alacak ? Tabiki ömrünü alacak 🙂 her deşarj sonrası pilimiz zayıflıyor ve bir süre sonra pilimiz ölüyor. Pilin patlaması, pillerin şişmesi olayları ise çok farklı kimyasal süreçlerdir.

Yukarıda anlattığımız gibi, Li-Ion pillerin çalışması “Kabaca” bu şekilde gerçekleşir. Buraya bakarak; ” aa ne kadar kolaymış koskoca ülkemizin yerli pil markası yok üretemiyoruz” demeyin çünkü burada kullanılan anot, katot ve elektrolitte kullanılan elementler nadir bulunur, ayrıca bunların kimyasal süreçleri oldukça zordur. Kimyasal olarak elektrotları elde etseniz bile güvenlik sorunlarının üstesinden gelmek için SEI adı verilen nano kaplamaların son derece dikkatli yapılması ve geliştirilmesi gerekiyor. Yani her gün farkında olmadan telefonlarınızda, kumandalarınızda, saatlerinizde vs yüksek teknoloji ürünleri kullanıyorsunuz. Bu konuda ya da başka konularda öğrenmek istediğiniz herşeyi bize bildirmeniz yeterli 🙂

Bilimle kalınız.

Bir Cevap Yazın