Endüstriyel piller enerji depolamada ön plana çıkıyor 

Piller, enerji depolaması sağlayan ve gerektiğinde bunu kullanıma sunan cihazlardır. Günlük piller kimyasal enerjinin doğrudan dönüştürülmesi yoluyla elektrik enerjisi üretirken, enerji depolama konsepti Nant de Drance pompaj depolamalı “suyla etkinleştirilen pil” ile iyi bir şekilde gösterilmiştir. İsviçre Alpleri'nin yükseklerinde yer alan bu tesis, 400.000 elektrikli araç aküsünü aşan bir elektrik depolama kapasitesine sahiptir.

Bu suyla etkinleştirilen pil hidroelektrik jeneratörler ve biri üstte diğeri altta olmak üzere çift rezervuar kullanarak çalışmaktadır. Yoğun saatlerde, elektrik üretmek için daha yüksek rakımlı rezervuardan su salınır. Aşırı enerji üretimi olduğunda, su geri pompalanır ve daha sonra kullanılmak üzere depolanır. 

Büyüleyici bir model olsa da suyla etkinleştirilen pil, günlük modern yaşamın önemli bir bölümüne güç sağlamak için kullanılan yaygın, taşınabilir pillerden farklıdır. Geleneksel piller elektrik akımı üreten elektrokimyasal hücreler veya hücre serileridir. 

Endüstrinin karbondioksit emisyonlarını azaltma arayışında çok az teknoloji elektrokimyasal pillerden daha önemlidir. Elektrikli araçlara güç sağlar, güneş panelleri ve rüzgar türbinlerinden gelen elektriği depolar ve elektrik şebekesini dengeler. Son iki uygulamada, endüstriyel piller yenilenebilir enerji kaynaklarının ekonomik olarak ölçeklendirilmesi için gereklidir. 

Madencilik, imha ve üretimin tüm yaşam döngüsü dahil olmak üzere pillerin eşsiz çevresel etkileri göz önüne alındığında kapsamlı bir analiz gerekmektedir. Bu, enerji dönüşümünün çevre koşulları için birtakım sorunları aynı seviyede zarar verici bir başka sorunla değiştirmemesini sağlar.

Elektrokimyasal hücreli piller üç ana sınıfa ayrılır: Ana, ikincil ve üçüncül, bu geniş kategoriler içinde çeşitli hücre yapıları. Bu sınıflandırmalarda farklı metallerin ve elektrolitlerin kullanılması, çeşitli nihai kullanımlar için uygun özellikler sağlar.

Tek kullanımlık piller olarak da bilinen ana hücreli piller yeniden şarj edilemez ve kullanıldıktan sonra atılmalıdır. Genellikle el feneri gibi taşınabilir cihazlarda ve diğer büyük elektronik cihazlarda kullanılırlar. Örnekler arasında kuru piller, alkalin piller, çinko karbon piller ve lityum ana piller sayılabilir.

Alkalin piller en popüler tek kullanımlık pil türüdür. En ekonomik kategori olan bu şarj edilemeyen piller, kullanım ömürleri boyunca tutarlı bir deşarj oranını korur ve güvenilir performans sağlar. Ancak, kullanışlı olmalarına rağmen alkalin piller tek kullanımlık olmaları nedeniyle çevre dostu değildir.

İkincil piller olarak da adlandırılan şarj edilebilir piller yeniden şarj edilebilir ve birden çok kez yeniden kullanılabilir. Tek kullanım için tasarlanmış ana pillerin aksine, deşarj kimyasal reaksiyonunu tersine çevirmek için harici elektrik potansiyeli kullanır ve birden fazla kullanıma izin verir. Bu hücreler kurşun asit, nikel kadmiyum (Ni-Cd), nikel metal hidrür(Ni-MH) ve lityum iyon (Li-ion) gibi çeşitli kimyasal konfigürasyonlara sahiptir. Şarj edilebilir piller genellikle ana pillerden daha pahalıdır ve bazılarının aşırı ısınmasını önlemek için uygun şekilde kullanılması gerekir, bu da potansiyel olarak yangın veya patlamaya neden olabilir.

Üçüncül piller en az yaygın olan pil türüdür. Ana ve ikincil pillerden farklı olarak, hücreleri etkinleştirmeden hemen öncesine kadar diğer bileşenlerden ayrılır. Elektrolit en sık izole edilen bileşendir.

Yedek piller kendi kendine deşarj olasılığını etkili bir şekilde ortadan kaldırır ve kimyasal bozulmayı en az seviyeye indirir. Yedek pillerin çoğu termal türdedir ve neredeyse tamamen askeri uygulamalarda kullanılırlar.

Bu makalenin geri kalanında en yaygın tür olan şarj edilebilir lityum iyon (Li-ion) pillere odaklanılacaktır.

Lityum iyon piller, uzun ömürleri, yüksek enerji yoğunlukları ve istenilen voltaj özellikleri nedeniyle geniş bir uygulama yelpazesinde kullanım için tercih edilen türdür. Küçük işitme cihazları, cep telefonları, bilgisayarlar, e-bisikletler, elektrikli araçlar ve hatta büyük şebeke ölçeğinde enerji depolanması gibi birçok alanda kullanılırlar.

Lityum iyon piller tipik olarak anot (negatif elektrot) ve katot (pozitif elektrot) için farklı malzemeler kullanır. Metaller, yarı iletkenler, grafit veya iletken polimerler dahil olmak üzere herhangi bir iletken malzeme elektrot olarak kullanılabilir.

Pozitif elektrot malzemeleri lityum iyon hücrelerinin performansını, döngüsünü ve ömrünü önemli ölçüde etkiler. Elektrolit, pozitif yüklü lityum iyonlarını anot ve katot arasında taşırken, ayırıcı elektronların pil içindeki akışını engelleyerek lityum iyonlarının geçmesine izin verir.

Negatif yüklü anotta bir oksidasyon reaksiyonu meydana gelir ve devrenin dış kısmına doğru hareket eden elektronları serbest bırakır. Çoğu lityum iyon pil, anot malzemesi olarak, topraktan çıkarılan doğal grafit ve petrol kokunun ısıtılmasından elde edilen sentetik grafitin bir kombinasyonu olan grafit karışımı kullanır. Ortaya çıkan karışım, lityum iyonların şarj sırasında katmanlara girmesine ve deşarj sırasında çıkmasına izin veren katmanlı bir yapıya sahiptir.

Katot, indirgeyici bir kimyasal reaksiyonun meydana geldiği bir hücrenin pozitif elektrodudur. Lityum iyon pillerde lityum kobalt oksit, lityum demir fosfat ve lityum nikel manganez kobalt oksit gibi çeşitli katot malzemeleri kullanılmaktadır. Bu malzemeler, şarj ve deşarj döngüleri sırasında lityum iyonları tersine çevrilebilir şekilde kristal yapılarına kabul edebilir ve dışarı atabilir.

Lityum iyon pil üreticileri, olağanüstü saflıkta yüksek kaliteli mineraller elde etmelidir. Sonuç olarak, lityum iyon pillerin üretim maliyetinin yarısından fazlası katot ve anotta bulunmaktadır. Katot, ayırıcı, anot ve akım toplayıcıların montajı da ayrı katmanların yerleştirilmesi ve sarılması dahil olmak üzere hassas montaj adımları gerektirir.

Lityum iyon piller yaklaşık 30 yıldır piyasada ve bu süre zarfında katlanarak büyüdü.

Bununla birlikte, kurşun asit, Ni-Cd ve Ni-MH gibi diğer şarj edilebilir pil kimyaları yüzyılı aşkın bir süredir mevcuttur. Aşağıdaki bölümlerde belirtildiği gibi, her birinin kendi avantajları ve dezavantajları vardır.

Kurşun asit piller 1800'lerin sonlarından beri kullanılmaktadır ve günümüzde de yaygın olarak kullanılır. Bu piller uygun maliyetlidir, geri dönüştürülebilir ve bakım için karmaşık pil yönetim sistemleri gerektirmez. Ancak, diğer türlere göre düşük özgül enerjiye ve sınırlı devre sayısına sahiptirler. Kurşun asit aküler tekerlekli sandalyelere, golf arabalarına, acil durum aydınlatmasına ve içten yanmalı motorlu araçlara güç sağlamak için kullanılır. Bilinen bir toksin olan kurşunun bulunması nedeniyle, kullanım ömürlerinin sonunda profesyonel olarak imha edilmelidirler.

Ni-Cd piller nikel oksit hidroksit, metalik kadmiyum elektrotlar ve alkali potasyum hidroksit elektrolitten oluşur. Ana avantajlarından biri hızlı şarj potansiyelidir ancak beraberinde getirdiği dezavantaj, kendi kendine yüksek deşarj oranıdır. Ayrıca, kurşun gibi kadmiyum da zehirlidir.

Ni-MH piller, hacim başına şarj yoğunluğunda %30 artış ve kendi kendine çok daha yavaş deşarj dahil olmak üzere Ni-Cd'ye göre aşamalı iyileştirmeler sağlar. Ancak, şarj edilmeleri daha uzun sürer ve özellikle tekrar tekrar şarj edildiklerinde kapasite düşüşüne eğilimlidirler.

Diğer ikincil pil kimyalarıyla karşılaştırıldığında lityum iyon piller, şarj edilebilir piller için modern bir gelişmedir. Önceki üç türle karşılaştırıldığında üstün bir ağırlık/enerji oranının yanı sıra yüksek enerji ve güç yoğunluğunun eşsiz bir kombinasyonunu sergilerler. Bununla birlikte, lityum iyon piller son derece yanıcıdır, koruma devresi ve dikkatli kullanım gerektirir.

Yakın gelecekte yeni nesil gelişmiş lityum iyon pillerin piyasaya sürülmesi bekleniyor. Örneğin, lityum anodun tüketildiği ve sülfürün çeşitli kimyasal bileşenlere dönüştürüldüğü lityum sülfür pilleri. Katı hal pilleri de potansiyel taşımaktadır, ancak bu konsept henüz laboratuvardan ticari uygulanabilirliğe geçmemiştir.

Büyük enerji dönüşümümüzün ortasında, pillerin geleceği hepimizi etkiliyor. Bu, kullanılan malzemeleri, metallerin nereden temin edildiğini ve çıkarıldığını ve bu minerallerin nasıl imha edildiğini veya en uygun şekilde yeniden kullanıldığını içerir. Sürdürülebilir pil gelişimi, ham maddelerin kritik önemini göz önünde bulundurmalı ve bu minerallerin tedariği, imhası ve nihai olarak yeniden kullanımına gereken önemi verilmelidir.