Lityum-iyon Teknolojisinde Temel Sorunlar

 

        Bir pilin endüstriyel olarak kullanılabilmesi için göz önünde bulundurulan en önemli faktörlerden biri üretim maliyetidir. Bir lityum-iyon pil anot, katot ve elektrolit gibi başlıca 3 bileşenden ve ayırıcı, pil kutusu gibi yan bileşenlerden oluşmaktadır. Her birinin toplam üretimdeki maliyeti ele alındığında en büyük payı, ilk üç bileşenin oluşturduğu görülmektedir.

       Tahmini bir değer olarak elektrolit, anot ve katot 70 dolar/kg maliyetle üretilebilirken, geri kalan malzemenin üretim maliyeti yalnızca 5 dolar/kg olmaktadır (Barnett et al., 2010). Günümüzde lityumiyon pillerin maliyet/enerji verimliliği yaklaşık 700 dolar/kWs civarındadır (Barnett et al., 2010; Gert Berckmans 2017). Bu değer gittikçe düşmekte olduğu halde yine de yeterli seviyeye ulaşamamıştır. Başka bir rapora göre de 10 yıl sonra (2028 yılında) Li-iyon pillerinin piyasa değeri küresel olarak 130 milyar dolara ulaşacaktır (Grande, 2017). Katot malzemelerinin maliyetine örnek olarak yaygın bir katot malzemesi olan LiMn2O4 bileşiğini göz önünde bulundurabiliriz. LiMn2O4 malzemesinin üretiminde toplam pil üretiminin yaklaşık %15’ine denk gelen 10 MJ/kg değerinde enerji harcanmaktadır (Dunn, Gaines, Sullivan, & Wang, 2012). Bu sebeple katot, pilin diğer bileşenleri arasında en yüksek ikinci maliyeti teşkil etmektedir. Ek olarak, günümüz endüstrisinde standart anot malzemesi olarak kullanılan karbonun bir allotropu olan grafit de bu üretim maliyetinde büyük rol oynamaktadır. Grafitin yerini alacak olan yeni bir anot malzemesinin doğada kolay bulunan ve ucuz bir malzeme olması gerekmektedir. Üçüncü ana bileşen olan elektrolitlerde yapılacak geliştirmeler de bataryaların elektrokimyasal özelliklerinin iyileştirilmesi açısından önemlidir. Yeni geliştirilebilecek elektrolit malzemeleri de Li-iyon piller için başlıca gereksinimleri karşılamalıdır. Bunların başında kimyasal kararlılık, güvenlik, düşük elektronik iletkenlik, yüksek Li-iyon iletkenliği, katı-elektrolit ara yüzünün dayanıklı ve kararlı olması gelmektedir (Goodenough & Kim, 2010). Propilen karbonat (PE), etilen karbonat (EC) ve dietil karbonat (DEC) gibi elektrolit malzemelerindeki problemlerin, elektrot malzemelerinin hâlihazırdaki problemlerine göre daha düşük önem arz ettiği görülmektedir (Aurbach et al., 2007). Özellikle floroetilen karbonat (FEC) ve vinilen karbonat (VC) gibi katkı malzemeleri, kullanılan elektrolitlerin performansını Si anot malzemeleri özelinde artırdığı görülmüştür (Choi et al., 2006; Zhang, He, Su, & Zhang, 2016). Bu durum, elektrolit malzemelerinin günümüz teknolojisi için diğer bileşenlere göre daha yeterli olduğunu ve Li-iyon pillerin geliştirilmesindeki en önemli engellerin elektrot malzemelerinden kaynaklandığını göstermektedir. Bu yüzden, günümüzde Li-iyon pil ile ilgili çalışmaların çoğu elektrot malzemelerin geliştirilmesine odaklanmaktadır. Anot ve katot malzemelerinin geliştirilmesi birbiriyle uyumlu olarak ve eş zamanlı yapılmalıdır. Anot ve katot malzemelerinin teorik elektrokimyasal özellikleri ele alındığında, ticari katot malzemelerinin teorik spesifik kapasitelerinin birkaç yüz mAh/g değerlerinde olduğu bilinmektedir (Patil et al., 2008). Halihazırdaki çalışmalarda önerilen çoğu katot malzemesinin de bu değerlerde kapasiteye sahip olduğu görülmektedir. Teorik olarak yüksek kapasiteli alternatif katot malzemelerin kullanımı ise çeşitli kimyasal kriterler nedeniyle sınırlandırılmış durumdadır (Goodenough & Kim, 2010). Şu ana kadar yapılan çalışmalara göre, anot ve katot malzemelerinin özellikleri kıyaslandığında, anot malzemelerinin kapasitesinin yükseltilmesi, katot malzemelerine göre daha uygun ve mümkündür (Kasavajjula, Wang, & Appleby, 2007). Örneğin spesifik kapasitesi 200 mAh/g olan bir katot malzemesinin kullanıldığı bir Li-iyon pilinde toplam pil kapasitesinin 86 mAh/g olması için, anot malzemesinin spesifik kapasitesi 1200 mAh/g veya daha fazla olmalıdır (Kasavajjula et al., 2007).

 Sonuç olarak, halihazırdaki Li-iyon pillerinin toplam kapasitelerini sınırlayan etkenin katottan ziyade anot malzemeleri olduğu kabul edilebilir.

Kaynaklar

http://jes.ksu.edu.tr/tr/download/article-file/925468