Akıllı telefonlarda yeni moda olan silikon-karbon tipi bataryalar elbet ilginizi çekmiştir. 5000 mAh limitinin üzerine çıkmamızı sağlayan bir teknolojidir ve bu sayılar gittikçe yükselmeye devam ediyor. Peki bu bataryalar ne yenilik getiriyor, nasıl çalışıyor ve ne kadar güvenli?
Temel batarya çalışma prensibi
Lisede kimya dersini takip ettiyseniz çoğunuz redoks tepkimeleri hatırlayacaktır. Aslında tüm batarya mekaniğinde bu tepkime yer alır. Bir bataryada anot ve katot bölümler yer alır. Anot taraf negatif yüklüdür, yani elektron veren taraftır. Genellikle grafit gibi lityum iyonlarıyla stabil çalışabilen maddeler kullanılır. Birazdan grafit ve lityum hakkında daha detaylı konuşacağız. Katot taraf ise bataryanın pozitif ucu, yani elektron alan taraftır. Elektrolit katman ise bu iki taraf arası iyon geçişini kolaylaştırmayı sağlar. Bütün bu bileşenlere dış devreler eklediğinizde bir hücre elde edersiniz. Yani bir pilin temel bileşeni elinizdedir. Anot bölgede element elektron kaybederek iyonlaşır. Bu elektronlar yine kimya dersinden hatırlayacağınız gibi bir akım oluşturur. Bu akım ile iyonlar katotta yeniden elektronlarla birleşerek katot bölgesinde depolanır. Bu kısma biz şarj diyoruz, deşarj ise isminden tahmin edileceği üzere bu işlemin tam tersidir. Gelen voltaj, elementleri yeniden elektron bırakmaya zorlar. Elektron bırakıldığı anda yeniden elektrolit üzerinden anoda geçiş yapılır. İki bölge arasında potansiyel fark vardır ve bu fark bitmeye yaklaştığında şarjınız biter. Bu döngüye redoks tepkimesi denir, kendiliğinden gerçekleşir ve temel batarya mekaniği budur. Lityum – iyon dediğimiz bataryalarda da anot bölümde grafit bulunur ve akımı sağlayan element lityumdur.
Lityum–iyon bataryaları ayrı kılan nedir?
Lityum–iyon bataryaları önemli kılan şeyler lityum ve grafittir. Lityum, elektron vermeye fazlasıyla meyilli bir element. Fazla voltaj gerektirmeden elektronun kopmasını sağlayıp akım ve potansiyel fark oluşturabiliyorsunuz. Grafit ise lityumla aşırı uyumludur çünkü birçok elementin aksine lityumla stabilitesini uzun süre koruyabilir. Diğer metaller kısa sürede lityumla alaşım oluşturarak sisteme zarar verir. Ama lityum, grafit katmanları içerisine kolayca gir-çık yapabiliyor. Grafit çoğu elementin aksine bu tepkimelerde sadece %10 civarı şişiyor. Örneğin, fosfor için bu şişme değeri %300 ve kalay için de %260-300'dür. Grafit ve lityumun ucuz ve bol olması da bütün bunlara tuz biber oluyor. Bu sayede bu ikili senelerce piyasanın vazgeçilmezi oldu. Peki silikon buna ne kattı, hadi ondan bahsedelim.
Silikon–karbon bataryalar nedir ve neden önemli?
Bir bataryanın daha uzun süre dayanması için yapabileceğiniz iki tipik şey var. Birincisi, daha fazla elektron tutabilmek adına komple hacmi büyütmek. İkincisi ise kullanılan malzemeyi daha yüksek kapasiteli başka bir malzemeyle değiştirmek. Her malzemenin belli bir kapasitesi ve enerji yoğunluğu vardır. Sıklıkla duyduğumuz mAh/g değerleri de malzemenin kaç miliamper – saat enerji verebildiğini, yani kapasitesini verir. Lityum bataryalardan bahsettiğimizde de aslında o malzemenin ne kadar lityum tutabildiğinden bahsederiz. Grafit için bu değer 372 mAh/g gibi fena olmayan bir değerdir. Diğer birçok malzeme daha üst kapasitelere erişebilse bile stabilite sorunlarından dolayı grafit kadar başarılı değildir. Silikon ise teoride 4200 mAh kapasiteye erişebilir. Aradaki absürt farkı görebiliyor musunuz? Bu teoride 10-11 kat daha fazla kapasite demek. Yani yine teoride aynı hacimde 10-11 kat daha uzun süre bir cihazı kullanabilirsiniz demektir. Peki, neden teoride deniliyor? Çünkü silikon da maalesef şişiyor. Bu şişme %300-400 katlık bir şişme demek. Bu da bataryaların ömrünün çok kısa olması demek.
Batarya üreticileri bu şişmeyi kırmanın yollarını arıyorlar. Çünkü aynı hacimde çok daha yüksek kapasitelere erişmek uzay ve havacılık gibi dallar da dahil olmak üzere devrim niteliğinde bir yenilik olur. Silikonun şişmesini minimuma indirebilmek için silikon, grafit veya karbonla kompozit hale getirilir. Grafit dediğimiz de zaten karbonun bir allotropudur. Silikon oranları anotta %5-15 civarlarında tutulduğunda şişme kısmen göz ardı edilebilir bir hale gelir. Daha yüksek oranlarda ise karbonlar delikli hale getirilir ki şişme bir nebzeye kadar izin verilsin. Teoride geçen o absürt farkları hissetmeme nedenimiz de aslında bu. Silikonun oranı düşük tutulduğu için devasa sıçramalar göremiyoruz ve tamamen silikon bir anot tasarlamak şimdilik imkansız. Ayrıca silikonun hala çözülmeyen birkaç sorunu daha var:
Temel batarya çalışma prensibi
Lisede kimya dersini takip ettiyseniz çoğunuz redoks tepkimeleri hatırlayacaktır. Aslında tüm batarya mekaniğinde bu tepkime yer alır. Bir bataryada anot ve katot bölümler yer alır. Anot taraf negatif yüklüdür, yani elektron veren taraftır. Genellikle grafit gibi lityum iyonlarıyla stabil çalışabilen maddeler kullanılır. Birazdan grafit ve lityum hakkında daha detaylı konuşacağız. Katot taraf ise bataryanın pozitif ucu, yani elektron alan taraftır. Elektrolit katman ise bu iki taraf arası iyon geçişini kolaylaştırmayı sağlar. Bütün bu bileşenlere dış devreler eklediğinizde bir hücre elde edersiniz. Yani bir pilin temel bileşeni elinizdedir. Anot bölgede element elektron kaybederek iyonlaşır. Bu elektronlar yine kimya dersinden hatırlayacağınız gibi bir akım oluşturur. Bu akım ile iyonlar katotta yeniden elektronlarla birleşerek katot bölgesinde depolanır. Bu kısma biz şarj diyoruz, deşarj ise isminden tahmin edileceği üzere bu işlemin tam tersidir. Gelen voltaj, elementleri yeniden elektron bırakmaya zorlar. Elektron bırakıldığı anda yeniden elektrolit üzerinden anoda geçiş yapılır. İki bölge arasında potansiyel fark vardır ve bu fark bitmeye yaklaştığında şarjınız biter. Bu döngüye redoks tepkimesi denir, kendiliğinden gerçekleşir ve temel batarya mekaniği budur. Lityum – iyon dediğimiz bataryalarda da anot bölümde grafit bulunur ve akımı sağlayan element lityumdur.
Lityum–iyon bataryaları ayrı kılan nedir?
Lityum–iyon bataryaları önemli kılan şeyler lityum ve grafittir. Lityum, elektron vermeye fazlasıyla meyilli bir element. Fazla voltaj gerektirmeden elektronun kopmasını sağlayıp akım ve potansiyel fark oluşturabiliyorsunuz. Grafit ise lityumla aşırı uyumludur çünkü birçok elementin aksine lityumla stabilitesini uzun süre koruyabilir. Diğer metaller kısa sürede lityumla alaşım oluşturarak sisteme zarar verir. Ama lityum, grafit katmanları içerisine kolayca gir-çık yapabiliyor. Grafit çoğu elementin aksine bu tepkimelerde sadece %10 civarı şişiyor. Örneğin, fosfor için bu şişme değeri %300 ve kalay için de %260-300'dür. Grafit ve lityumun ucuz ve bol olması da bütün bunlara tuz biber oluyor. Bu sayede bu ikili senelerce piyasanın vazgeçilmezi oldu. Peki silikon buna ne kattı, hadi ondan bahsedelim.
Silikon–karbon bataryalar nedir ve neden önemli?
Bir bataryanın daha uzun süre dayanması için yapabileceğiniz iki tipik şey var. Birincisi, daha fazla elektron tutabilmek adına komple hacmi büyütmek. İkincisi ise kullanılan malzemeyi daha yüksek kapasiteli başka bir malzemeyle değiştirmek. Her malzemenin belli bir kapasitesi ve enerji yoğunluğu vardır. Sıklıkla duyduğumuz mAh/g değerleri de malzemenin kaç miliamper – saat enerji verebildiğini, yani kapasitesini verir. Lityum bataryalardan bahsettiğimizde de aslında o malzemenin ne kadar lityum tutabildiğinden bahsederiz. Grafit için bu değer 372 mAh/g gibi fena olmayan bir değerdir. Diğer birçok malzeme daha üst kapasitelere erişebilse bile stabilite sorunlarından dolayı grafit kadar başarılı değildir. Silikon ise teoride 4200 mAh kapasiteye erişebilir. Aradaki absürt farkı görebiliyor musunuz? Bu teoride 10-11 kat daha fazla kapasite demek. Yani yine teoride aynı hacimde 10-11 kat daha uzun süre bir cihazı kullanabilirsiniz demektir. Peki, neden teoride deniliyor? Çünkü silikon da maalesef şişiyor. Bu şişme %300-400 katlık bir şişme demek. Bu da bataryaların ömrünün çok kısa olması demek.
Batarya üreticileri bu şişmeyi kırmanın yollarını arıyorlar. Çünkü aynı hacimde çok daha yüksek kapasitelere erişmek uzay ve havacılık gibi dallar da dahil olmak üzere devrim niteliğinde bir yenilik olur. Silikonun şişmesini minimuma indirebilmek için silikon, grafit veya karbonla kompozit hale getirilir. Grafit dediğimiz de zaten karbonun bir allotropudur. Silikon oranları anotta %5-15 civarlarında tutulduğunda şişme kısmen göz ardı edilebilir bir hale gelir. Daha yüksek oranlarda ise karbonlar delikli hale getirilir ki şişme bir nebzeye kadar izin verilsin. Teoride geçen o absürt farkları hissetmeme nedenimiz de aslında bu. Silikonun oranı düşük tutulduğu için devasa sıçramalar göremiyoruz ve tamamen silikon bir anot tasarlamak şimdilik imkansız. Ayrıca silikonun hala çözülmeyen birkaç sorunu daha var:
- Silikonun ilk verimi oldukça düşüktür. Daha ilk şarjda kayda değer kadarı elektrolit ile reaksiyona girer. Bu durum lityumların tutulamayacağı anlamına geldiği için batarya ömrünü kıran bir etken. Bunun için ön-lityum gibi tekniklerin uygulanması gerekiyor. Bu da masraf gerektiren bir işlem.
- Şişmeyi kısmen dizginleyebilseniz bile hızlı şarj silikonu ısındırmaya götürüyor. Çünkü grafit hakkında hatırlasanız lityumun girip çıkabilmesi için uyumlu yapıda olduğundan bahsetmiştim. Silikon ise bu kadar uyumlu değil, kristalimsi yapısı nedeniyle lityumun kristalimsi yapıları adeta kırması gerekiyor. Eh, bir de hızlı şarj ile yaparsanız daha agresif bir ortam doğuyor. Bütün bunlar da ısı çıkışı anlamına geliyor.
- Şişmenin kısa sürede göz ardı edilebilecek seviyede olmasına rağmen uzun vadede birikmesiyle sıkıntıya dönüşebilecek olma ihtimali az değil. Çok düşük miktarda silikonlar bile düzenli şarjda kaçınılmaz şekilde şişiyor.
