Lityum Pillerinin Güvenliğini ve İlgili Riskleri Yeniden Değerlendirmek – Jel Elektrolitler Çözüm mü?

Lityum iyon pillerine olan talep muazzam bir hızla artacak. Tahminlere göre 2022 ile 2030 arasında, bu pillerin küresel talebi yedi katına çıkarak 4,7 teravat saat seviyesine ulaşacak. 

Talep, bu pillerin taşınabilir elektronik ve enerji depolama, özellikle elektrikli araçlarda yaygın kullanımından kaynaklanıyor. Ancak, bu piller risksiz değil. Yangın ve patlamaya karşı hassastırlar. 

Bu zayıflıklara bir çözüm, yarı katı pillerdir. Sıvı elektrolitli geleneksel lityum iyon piller ile katı hal pilleri arasında bir denge kurarak riskleri azaltırlar. 

Bileşen olarak kullanılan jel benzeri bir elektrolit, bu pillere artırılmış stabilite ve daha uzun ömür kazandırır. Ancak, yüksek sıcaklıklarda uzun süreli ısı işlemine maruz kalan bu jel elektrolitler, belirgin bir bozulma yaşayabilir; bu da performans düşüşüne ve üretim maliyetlerinin artmasına yol açar. Bu pillerin üretim süreci, yarı katı elektrolit ile elektrot arasındaki arayüz direnci nedeniyle bir zorlukla karşı karşıyadır. 

Son zamanlarda, Pohang Bilim ve Teknoloji Üniversitesi (POSTECH) Kimya Bölümü’nden Profesör Soojin Park, doktora adayı Seoha Nam ve araştırmacı Dr. Hye Bin Son, bu zorlukları aşmak için istikrarlı ve ticari olarak uygulanabilir bir jel elektrolitli pil geliştirmişler. 

İlerleyen bölümde, pilin mekanizmasını daha derinlemesine inceleyeceğiz.

Lityum Piller için Güvenli ve Ticari Olarak Uygulanabilir Jel Elektrolit

Bozulmuş elektrolitler, azalan performans ve artan maliyet sorunlarını ele alırken, araştırmacı ekibi çift işlevli çapraz bağlayıcı katkı maddesi (CIA) ve dipentaeritritol heksaakrilat (DPH) ile elektron ışını (e-beam) teknolojisini kullandı. 

Araştırmacılar, elektrot hazırlama, elektrolit enjeksiyonu, montaj, aktivasyon ve gaz giderme adımlarını içeren geleneksel üretim sürecinden farklı bir yol izlediler. 

Bunun yerine, gaz giderme işleminden sonra ek bir e-beam ışınlama adımı ekleyerek DPH’nin çift işlevselliğini artırdılar. Aynı zamanda, CIA hem aktivasyon sırasında anot ve katot yüzeyleri arasında stabil bir arayüz sağlamak için bir katkı maddesi, hem de e-beam ışınlama sürecinde bir polimer yapı oluşturmak için çapraz bağlayıcı olarak görev yaptı.

Elde edilen çözüm, ilk şarj ve deşarj süreçlerinde pil yan reaksiyonlarından kaynaklanan gaz oluşumunu önemli ölçüde azaltabildi. Azalma, geleneksel pillere kıyasla 25,5 katına kadar çıktı. Çözüm ayrıca elektrotlar ile jel elektrolit arasındaki güçlü uyumluluk sayesinde arayüz direncini istikrarlı bir şekilde koruyabildi. 

Bu başarılarla yetinmeyen araştırmacılar, 1,2 amper-saat kapasiteli yüksek kapasiteli bir pil geliştirdiler ve bu pili 55°C sıcaklıkta test ettiler; bu sıcaklıkta elektrolitler bozulmaya başlar. 55°C ve üzerindeki sıcaklıklarda, elektrolit kullanan geleneksel piller 50 döngüden sonra kapasite kaybı ve şişme yaşar.

Yeni pil ise, gaz üretmeden 200 döngü sonrasında bile 1 amper-saat kapasitesini koruyabildi ve geliştirilmiş güvenlik ve dayanıklılık standartlarını gösterdi. 

Bilimsel keşfin faydalarını açıklarken, POSTECH’ten Profesör Soojin Park şöyle dedi:

“Bu istikrar ve ticari uygulanabilirlik başarısı, elektrikli araç endüstrisinde bir dönüm noktası olacak. Bu ilerlemenin sadece elektrikli araçlara değil, lityum iyon pillere dayanan çok çeşitli diğer uygulamalara da büyük fayda sağlayacağını umuyoruz.”

İlerleyen bölümlerde, lityum iyon pillerin bazı bu tür uygulamalarına kısaca göz atacağız. 

Güvenli Lityum Pillerin Uygulamaları

Son zamanlarda elektrikli araçlarda kullanılmalarıyla dikkat çekseler de, lityum iyon piller diğer birçok uygulamada da güvenli bir şekilde kullanılmaktadır. Bu uygulamalardan birçoğu günlük hayatımızın ayrılmaz parçalarıdır ve ticari uygulanabilirlik ile dayanıklılık gerektirir. Örneğin, şarj edilebilir lityum piller kalp pilleri içinde yaygındır ve cihazı 7-8 yıl boyunca hizmet vermeli, ağırlığı ise 30 gramın altında olmalıdır.

Dijital kameralar, özellikle DSLR’ler, kompakt boyutları ve yüksek güç kapasiteleri nedeniyle lityum iyon pillere dayanır; bu, diğer pil tiplerine göre üstün performans sağlar. Benzer şekilde, dijital asistanlar, akıllı telefonlar ve dizüstü bilgisayarlar da dayanıklılık, yüksek enerji yoğunluğu, hafif yapı, kolay şarj ve düşük maliyetli bakım için bu güvenli ve güvenilir pillere bağımlıdır.

Ayrıca, 3 volt kapasiteli küçük Li-ion piller saat gibi çok küçük cihazlarda kullanılmakta ve on yıla kadar dayanabilmektedir. Bu piller, elektrik yükünü verimli bir şekilde depolama ve serbest bırakma yetenekleri sayesinde kişisel scooterlar, golf arabaları ve arabalar gibi mobilite çözümlerini de güçlendirir. Bu özellik, UPS sistemleri, acil güç yedekleri ve güneş enerjisi depolama gibi uygulamalar için idealdir. Ayrıca, deniz ve eğlence araçları gibi yeni alanlarda ve giyilebilir taşınabilir tıbbi cihazlarda da giderek daha fazla kullanılmaktadır.

Lityum pillerin artan benimsenmesi, üretim ve imalatın da artmasına yol açtı. Ancak, bu süreçlerin piller kadar güvenli ve uygulanabilir olması çok önemlidir. Bu endişe, Güney Kore’deki bir lityum pil tesisinde meydana gelen ve 22 işçinin hayatını kaybettiği trajik yangınla vurgulanmaktadır.

Batarya üreticilerinin artan talebi karşılamak için nasıl çabaladıklarını öğrenmek için buraya tıklayın. 

Güney Kore’deki Bir Lityum Pil Tesisinde Yangın

24 Haziran’da, Güney Kore’de bir lityum pil fabrikasında bir dizi pil patlaması sonucu yıkıcı bir yangın çıktı ve 22 işçi hayatını kaybetti. Ana pil üreticisi Aricell tarafından işletilen tesis, Seul’un güneybatısındaki bir sanayi bölgesi olan Hwaseong’da yer alıyor.

Yangının başlamasından kısa bir süre sonra, toksik gaz hızla fabrikaya yayıldı; o sırada tesis 35.000’e kadar pil depoluyordu. Yangının bu kadar ölümcül olmasının olası nedenini açıklayan Daejeon Üniversitesi Yangın ve Afet Önleme profesörü Kim Jae-ho şöyle dedi:

“Nikel gibi pil malzemeleri kolayca yanıcıdır. Bu nedenle, diğer malzemelerden kaynaklanan yangınlara kıyasla müdahale için genellikle yeterli zaman bulunmaz.”

Uzmanlar ayrıca, ölümlerin daha çok kullanılan toksik maddelerden kaynaklandığını, yanıklardan ziyade bu faktöre bağlı olduğunu belirtti. 

Bu Tür Olaylar Önlenebilir mi?

Lityum iyon pillerle çalışırken her zaman dikkatli olunmalıdır; çünkü enerji depolama cihazları arasında en yüksek hacimsel enerji yoğunluğuna sahiptirler. İş Sağlığı ve Güvenliği İdaresi (OSHA), küçük ve giyilebilir lityum pil güçlü cihazlarda yangın ve patlama yaralanmalarını önlemeye yönelik ayrıntılı talimatlar yayınlamıştır.

Dünyanın en saygın teknoloji eğitim kurumlarından biri olan Massachusetts Institute of Technology (MIT), ayrıca

Lityum-İyon Güvenlik Rehberi yayınlamıştır. Talimatlarına göre, bu pilleri işleyen her çalışma alanının iletken olmayan ve yangına dayanıklı malzemelerden yapılmış yüzeylere sahip olması gerekir.

Eğer iletken bir yüzeyde çalışmak zorundaysanız, üzerine izole edici bir malzeme koymanız önerilir. Ayrıca, alanın ahşap masalar, halılar, benzin gibi yanıcı veya yanıcı malzemelerden ve hücrelerin yalıtım kılıfını delebilecek keskin nesnelerden arındırılmış olması gerekir. En uygun çalışma sıcaklıkları 15-35°C arasındadır ve ortam sıcaklığı 60°C’yi aşmamalıdır.

Uygun depolama, yangın ve patlama riskini azaltmada kritik bir rol oynar. Raporda birçok lityum iyon pil yangınının yetersiz depolama alanlarından kaynaklandığı belirtiliyor. En yüksek güvenlik standartlarını korumak için depolama alanı, hücre tasarımı, kimyası, sıcaklığı, şarj durumu ve depolama süresi gibi faktörleri göz önünde bulundurmalıdır.

Pil üretim birimleri, lityum pil tesislerindeki yangınların sadece yangın nedeniyle değil, aynı zamanda ortaya çıkan toksisite nedeniyle de felaket olabileceği için katı güvenlik önlemleri almalıdır.

Üretimdeki güvenlik sürekli geliştirilebilse de, pillerin doğuştan güvenli olması gerekir. Bazı şirketler güvenli lityum pil üretimine istikrarlı bir şekilde yatırım yapmaktadır. İlerleyen bölümlerde bu şirketleri inceleyeceğiz.

#1. Panasonic Energy’nin Lityum-İyon Pilleri

Panasonic, pil kapasiteleri arttıkça pil güvenliğini sağlamak için kendini adadı ve güvenli ve güvenilir pil kullanımını temin etmek amacıyla gelişmiş pil malzemeleri geliştirmeye, süreçleri iyileştirmeye ve kontrol teknolojileri yaratmaya odaklanıyor.

Pillerinin yüksek sıcaklık dayanımı vardır; çünkü piller 100°C’nin üzerine ısıtıldığında patlama riski artar. Ancak, Panasonic, pillerin istiflenmesinin veya karıştırılmasının dış kısa devre, ısı üretimi, yangın veya patlamaya neden olabileceğini kabul etmektedir.

Şirket, paketleme sırasında pil terminallerinin birbirine veya diğer metallere temas etmemesi için katı taşıma ve depolama yönergelerini izler. Nakliye sırasında ürünleri titreşim, darbe, düşme ve istifleme gibi etkilerden korumak için güçlü ambalaj malzemeleri kullanır. Panasonic ayrıca pilleri oda sıcaklığında depolamayı ve %30-50 civarında şarj etmeyi kesinlikle önerir.

Silindirik piller, prizmatik piller, poşet tipi piller ve pin tipi piller dahil olmak üzere çeşitli lityum pil ürünleri üretmektedir.

Grup için en son mevcut bütünleşik raporuna göre, şirket 2023 yılında 8.378,9 milyar yen satış geliri kaydetti. 

#2. LG Energy Solutions

LG Energy Solutions, Li-ion pil paket üretiminde iyi belirlenmiş yönergeler altında çalışan bir diğer önde gelen küresel markadır. Paket üretiminde düşme yaşamış Lityum-İyon Pil Hücrelerinin kullanılmasını yasaklamaktadır.

Elektrik kısa devrelerini önlemek için, Lityum-İyon Pil Hücreleri metal nesnelerden uzak tutulmalı ve hasar ya da kontaminasyonu önleyen ortamlarda işlenmelidir.

Ayrıca, Lityum-İyon Pil Hücrelerinin yüzeyine doğrudan kaynak yapılmamalı ve kaynak işlemi sırasında hücreler yoğun ısıya veya basınca maruz bırakılmamalıdır.

2023 yılında LG, 84.228 milyar KRW satış hacmi kaydetti; bu, 2022’nin 83.467 milyar KRW’sine göre bir artış, ancak 2021’in 73.908 milyar KRW’sine göre önemli bir artıştır.

Lityum-İyon Pil Güvenlik Endişeleri: Kapsamlı Bir İnceleme

Li-ion pil güvenlik endişelerini kapsamlı bir şekilde araştıran çalışma, bir tehdit olarak ortaya çıkabilecek veya risk oluşturabilecek çeşitli potansiyel sorunlara işaret etti. 

Lityum-İyon pillerinde en zararlı güvenlik sorunlarından biri olan termal kaçaklar, yan reaksiyonlardan kaynaklanır. Bu reaksiyonlar elektrolitte, katot ile anot arasında ve elektrot yüzeylerindeki arayüzlerde ve Li kaplamada gerçekleşebilir. Bu kaçaklar genellikle mekanik, termal veya elektriksel kötüye kullanım tarafından tetiklenir.

Mekanik kötüye kullanım, Li-ion pillerinde güvenlik sorunlarına yol açabilir; aynı şekilde elektriksel kötüye kullanım da bütünlüğünü tehlikeye atar. Benzer şekilde, pilin termal şok yaşaması veya aşırı yüksek sıcaklıklara ulaşması şeklindeki termal kötüye kullanım da önemli riskler oluşturur.

Araştırma, güvenliği hem iç hem de dış olarak artırmaya yönelik stratejileri de ortaya koymaktadır. Lityum-İyon pil (LIB) güvenliğini artırmanın kritik bir unsuru, iyi tasarlanmış yerleşik bir soğutma sistemidir. Ayrıca, hücreler arasındaki doğru dengeyi korumak esastır; bu, her şarj döngüsünden sonra tüm hücrelerin voltajlarını, kapasitelerini veya Şarj Durumlarını (SOC) ölçüp karşılaştırmayı içerir.

Üreticiler, üretim güvenliğini sağlamak için çeşitli çerçeveleri takip edebilir. Aslında, birçok ülke zaten bu tür standartları yayınlamıştır; Çin Standardı, Society of Automotive Engineers (SAE) standardı, International Electrotechnical Commission (IEC) standardı, United Nations (UN) standardı, Japanese Industrial Standard (JIS) ve daha fazlası bunlar arasındadır.

Genel olarak, elektronik cihazların hakim olduğu bir dönemde yaşıyoruz ve bu da lityum pillere olan bağımlılığımızın sürekli artmasına yol açıyor. Teknolojilerimizde daha yüksek verimlilik ve hız peşinde koşarken, güvenliğin öncelikli olmasını sağlamalıyız. Güney Kore’deki son olay, bu dengenin önemine dair çarpıcı bir hatırlatma olup, gelecekte benzer talihsiz olayların önlenmesi gerektiğini vurguluyor.

Yatırım yapabileceğiniz en iyi on pil hissesi hakkında bilgi almak için buraya tıklayın.