Lityum pilleri verimli kullanmak için öneriler...


Yayın Tarihi: 05.07.2017 16:23 Güncellenme Tarihi: 09.03.2018 11:16
Çalışmalarımız
Lityum pilleri verimli kullanmak için öneriler...

Lithium-ion pillerin verimli ve uzun ömürlü olması için neler yapılmalı?

Bazı kullanıcılar beklemeyle birlikte lityum-ion pillerin eksi kutubunun üzerinde bir pasivasyon tabakası oluşur. Arayüz koruyucu film tabakası (IPF) olarak da bilinen, bu tabaka iyon akışını kısıtlar, pilin içindeki dahili direcin artmasına ve en kötü ihtimalle lityum kaplama oluşumuna sebebiyet verir. Şarj ederek ve daha etkin bir şekilde döngüyü sağlayarak, bu tabakanın çözülmesini sağladığı bilinmektedir ve bazı akıllı telefon kullanıcıları bataryalarında ikinci veya üçüncü bir döngü – küçük bir miktar da olsa- kazandıklarını iddia ederler.
Bilimadamları bu tabakanın yapısını tamamen anlayabilmiş değiller, ve bazı bilimadamları bu konu hakkında yayınlar yaparak kulllanım döngüsü ve performans kazanımının bu pasivasyon tabakasının ortadan kalması ile ilişkilendiren spekülasyonlar yaparlar. Bazı bilimadamları da böylesi bir tabakanın varlığını direkt olarak reddederek bu fikrin son derece spekülatif ve mevcut çalışmalarla tutarlı olmadığını söylerler. Lityum iyon pasivasyon tartışmalarının neticesi ne olursa olsun, bu konu ile NiCd pillerdeki kapasite kaybının önüne geçmek için gereken periyordik döngünün oluşturduğu “hafıza” etkisi arasında bir paralel bulunmamaktadır. Belirtiler benzer gibi gözükebilir fakat mekanikler birbirinden farklıdır. Bu etki, kurşun asit bataryalardaki sülfatlaşma ile de mukayese edilemez.

Lithium-ion Pil ve lityum Piller


Artı kutup üzerinde biriken tanıdık bir tabaka da katı elektrolit arayüzüdür(SEI). SEI olarak kısaltılan bu tabaka aslında bir bakıma elektriksel bir yalıtım işlevi görür ancak bataryanın işlevlerini normal olarak yerine getirebilmesine olarak tanıyan iyonik iletkenliğe sahip değildir. SEI tabakası kapasiteyi azaltırken, aynı zamanda bataryayı da korur. SEI olmadan, Li-ion sahip olduğu uzun ömre kavuşamaz.
SEI tabakası bir oluşum süreci olarak gelişir ve pil üreticileri bu konuda büyük dikkat harcalar, zira bu iş aceleye getirilirse pilde kalıcı kapasite kayıpları ve dahili direnç düşüşleri oluşabilir. Bu işlem birçok döngüyü, arttırılmış sıcaklıkta gerçekleştirilen yavaş şarj uygulamasını ve dinlenme dönemlerini kapsar ki tamamlaması haftalar alır. Bu oluşum dönemi ayrıca pil eşlemeye yardımcı olur ve kalite kontrol sağlar. Ayrıca dinlenmeden sonra pil voltaj değerini ölçerek pilin kendi kendine boşalması sürecini izlemeyi mümkün kılar. Pilin sıkça kendi kendine boşalması, yabancı madde bulaşmasına bağlı muhtemel bir imalat kusuruna işaret eder.
Elektrolit oksidasyonu (EO) eksi kutupta da oluşabilir. Bu durum kalıcı bir kapasite kaybına ve dahili direçte de artışa yol açar. Oluştuktan sonra bu tabakayı gidermenin çaresi yoktur fakat elektrolit katkılar etkileri azaltabilir. Li-ion pili 4,10 üzerinde bir voltajda tutarken yüksek sıcaklıklar elektrolit oksidasyonunu destekler. Saha gözlemleri gösterir ki sıcaklık ve yüksek voltaj etkenlerinin bir araya gelmesi Li-ion piller üzerinde kötü kullanım döngüsünden daha fazla yıpratıcı baskıya sebep olur.

Lityum iyon Pil Özellikleri


Lithium-ion fabrikadan çıktıktan sonra, ilave olarak ilk ayarlarına döndürme işlemine ihtiyaç duymayan oldukça temiz bir sistemdir. Ayrıca, nikel bazlı bataryalarda gerektiği düzeyde bir bakıma da ihtiyaç duymaz. İlave formatlama pek fazla bir etki yapmaz çünkü başından itibaren pil maksimum kapasitededir.( uzun bekleme sürelerinde kazanılan küçük kapasite artışları müstesnadır). Pil bir kere zayıflamışsa, tam deşarj kapasiteyi iyileştirmez – düşük kapasite pilin kullanım ömrünün sona yakın olduğunu haber verir. Şarj/deşarj işlemi “akıllı” bir pilin kalibrasyonu için yardımcı olur fakat pilin kimyasını iyileştirmez. Yeni bir Li-ion pilin 8 saat şarj edilmesini salık veren kullanım talimatları eski nikel bataryalar döneminden kalma “modası geçmiş” bir alışkanlıktır.

Şarj olmayan Lityum pillerin verimli ve uzun ömürlü olması için neler yapılmalı?

Lityum-tionil klorid (LTC) gibi temel lityum piller beklerken geçirdikleri pasivasyon sürecinden fayda elde ederler. Pasivasyon elektrolit yani lityum artı kutup ile karbon bazlı eksi kutup arasındaki reaksiyon sonucunda oluşan ince bir tabakadır. (Li-ion pillerin tam tersine lityum pillerde artı kutup lityum, eksi kutup grafit maddesindendir. )
Bu tabaka olmadan, çoğu lityum piller işlevini yerine getiremez, çünkü lityum pilin hızlı bir şekilde kendi kendine boşalmasını ve yıpranmasına yol açar. Piller konusunda çalışan bilim insanları hatta derler ki lityum clorit tabakasının oluşumu olmazsa pil patlayabilir ve bu şekilde pasivasyon tabakası pilin mevcudiyetini temin eder ve 10 sene muhafaza edilebilmesini mümkün kılar.
Sıcaklık ve şarj koşulları pasivasyon tabakasının oluşumuna katkıda bulunabilir. Tamamen şarj olmuş bir Lityum-tionil clorid (LTC) pili, uzun bir bekleme süresinden sonra yeniden aktif hale getirmek düşük şarjda tutulan bir Lityum-tionil clorid (LTC) pili aktif hale getirmekten daha zordur. Lityum-tionil klorid (LTC) piller düşük sıcaklıklarda muhafaza edilmeliyken, pili pasivasyon durumundan çıkarmak için de termal iletkenliği destekleyip iyonların süreç içinde daha serbestçe hareket etmelerini destekleyeceği için bir sıcaklık artışı gerçekleştirilecek daha uygun olacaktır.

DİKKAT: Pilleri fiziksel baskı yada aşırı sıcaklığa maruz bırakmayın. Dikkatsiz taşıma neticesinde meydana gelen patlamalar işçilerde bir çok ciddi yaralanmalara sebebiyet vermiştir.

Pile ilk kez bir yük uygulandığında, pasivasyon tabakası voltajı gecikmeli olarak iletir, ve Resim2 farklı pasivasyon seviyelerinden etkilenen pillerdeki düşüş ve güç kazanımını gösterir. A ile gösterilen pil minimal bir voltaj düşüşü yaşarken, C ile gösterilen pil kendini toparlayıp yeniden güç kazanmak için biraz zamana ihtiyaç duyar.

Pasivasyon durumundaki pile yük uygulandığında nasıl bir davranış sergiler

Resim 2: Pasivasyon durumundaki pile yük uygulandığında nasıl bir davranış sergiler.

A ile gösterilen pil yumuşak bir pasivasyon düzeyine sahiptir, B toparlanmak için zamana ihtiyaç duyar ve C en fazla etkilenen pil olur. Araştırma: EE Times

LTC piller kullanıldığı cihazlarda, ücretli bir otoyol geçiş sensörü gibi, çok düşük bir akım çekerler ve işlev bozukluğuna sebebiyet veren bir pasivasyon tabakası geliştirebilirler. Sıcaklık faktörü de bu gelişime katkıda bulunur.
Pile paralel olarak ilave edilecek geniş bir kapasitör ile bu duruma çözüm bulunabilir. Yüksek bir dahili direnç geliştiren pil arasıra yüksek dalgalar yayarak hala kapasitörü şarj etmeye devam edebilir; arada geçen bekleme süresi kapasitörü yeniden şarj etmeye harcanır.
Pilleri muhafaza ederken oluşabilecek sülfatlaşmayı önlemeye yardımcı olması için, bazı lityum piller 36kΩ’luk bir direnç ile sevk edilir. Bu direnç, bir bakıma bir parazit gibi pile yapışan bir yüktür. Sabit düşük deşarj akımı bu tabakanın kalınlaşmasını önler, fakat diğer yandan bu pilin raf ömrünü kısaltacaktır. 36kΩ resistör ile 2 sene muhafaza edildikten sonra, pillerin hala yüzde 90 kapasiteye sahip olduğu söylenebilir. Diğer bir çözüm yolu da depolama esnasında periyodik olarak deşarj dalgaları gönderen bir cihazı pile iliştirmektir.
Tüm lityum piller bir cihaz içine yerleştirildiklerinde, ve bir yük uygulandığında kendine gelmez. Akım, pasivasyon etkisini tersine çevirmek için çok yetersiz olabilir. Ayrıca, cihazın kendisi de pasive pili çok düşük şarjda veya bozuk olarak algılayıp reddedebilir. Bu tipteki pillerin bir çoğu bir pil analiz aleti ile (Cadex) kontrollü yük uygulanarak hazır duruma getirilebilir. Pil analiz aleti böylece pille sahada karşılaşmadan önce, uygun bir şekilde işlediğini doğrulamış olur.
Pasivasyon için gereken deşarj akımı C-sınıfı 1C ile 3C arasında (belirtilen kapasitesinin 3 katına kadar olabilir). Yük uygulandığında pil voltajı 3,2V a geri dönmelidir; bu işlem tipik olarak 20 saniye kadar sürer. Aynı işlem tekrarlanabilir fakat 5 dakikadan fazla almamamlıdır. 1C’lik bir yük ile doğru işleyen bir pilin voltajı 3,0V üzerinde kalmalıdır. 2,7V altına düşmesi, pilin ömrünün sonuna yaklaştığı anlamına gelir.
Bu lityum-metal pillerin lityum içeriği zengindir ve bunları bir yerden bir yere sevk ederken aynı amper değerindeki Li-ion pillerden daha katı taşıma kuralları ve sıkı önlemler almak gerekir. İçerdiği yoğun enerji nedeniyle taşırken yüksek hassasiyet göstermek bir zorunluluktur.

Yanmış, Ezilmiş, Hasar Görmüş Lityum Pil

 

Lityum pillerin kullanımı hakkında uyarılar.

DİKKAT : SLA pilleri yüksek voltajda şarj ederken, pili korumak için akım konuma uygulanmalıdır. Şarj esnasında daima akım sınırını en düşük ayara çekerek pil voltajı ve sıcaklık izlenmelidir.
Pilin delinmesi, elektrolit sızıntısı veya elektrolitle temas eden herhangi başka bir durumda derhal üzerine su dökünüz. Göze maruziyet oluşursa, gözünüzü 15 dakika kadar su ile yıkayın ve vakit kaybetmeden bir hekime danışın.
Elektrolit, kurşun veya kadmiyumla temas durumunda onaylı gözlüklerden takın.
Cildinize temas durumunda, hemen su ile yıkayın.