Eğer bu yazıyı bir cep telefonundan veya bir dizüstü bilgisayardan okuyorsanız, 70’lerde ve 80’lerde lityum (Li) iyon piller üzerinde yaptığı çalışmaları nedeniyle 2019 yılında kimya dalında Nobel Ödülü kazanan üç araştırmacıya, Amerikalı John B. Goodenough, İngiliz M. Stanley Whittingham ve Japon Akira Yoshino’ya teşekkür edebilirsiniz.
Her şeyden önce yaşayan efsane John B. Goodenough, Nobel ödülünü 97 yaşında kazanarak “Nobel ödülü kazanan en yaşlı bilim insanı” ünvanını aldı ve bilim tarihine geçti. Üç araştırmacının çalışmaları her akıllı telefon veya dizüstü bilgisayarda ve milyarlarca kamera ve elektrikli el aletinde kullanılan güçlü, hafif ve şarj edilebilir pillerin üretilebilmesine yol açmakla beraber elektrikli araçların da gelişmesinde en önemli rolü oynadı.
Peki nedir bu lityum iyon pillerinin sırrı? Neden kullanım alanı bu kadar geniş? Nasıl oluyor da hayatımızı bu denli kolaylaştırıyor?
Lityumun sihri
Bu soruların birçok cevabı olmakla birlikte en net ve hızlı cevabı şu: Lityum periyodik tablodaki en hafif metal ve elektronunu kolayca salıverebiliyor.
Lityum periyodik tabloda alkali metaller diye de bilinen 1A grubunda ve atom numarası 3, yani hidrojen ve helyumdan sonra en küçük üçüncü atom. Periyodik tablonun en hafif metali olduğundan lityumun anot-katot arasındaki hareketi kolayca sağlanabiliyor.
1A grubu elementlerinin genel özelliği gereği elektron verme ve pozitif yüklenme eğiliminde olan lityum, pil ve bataryalarda kullanılabilecek en uygun element çünkü tüm metal elementleri arasında en büyük elektrokimyasal potansiyele ve ağırlık başına en fazla enerji yoğunluğuna sahip. Ancak lityum saf haliyle kararsız bir element ve havayla kolayca reaksiyona girdiğinden yağ içinde depolanması gerekir, aksi halde oksitlenir. Lityum pilleri lityum metal ve lityum iyon piller olarak iki ayrı sınıfa ayrılabilir. Lityum metal piller genellikle şarj edilemez ve metalik lityum içerir. Lityum iyon piller elektrolit içinde lityumu sadece iyonik formda bulundurur ve bunlar şarj edilebilirler.
Pillerin yapısı
Lityum iyon piller dört ana bileşenden oluşur. Pozitif katot, negatif anot, elektrolit ve anot ile katodu birbirinden ayıran bir bariyer.
Elektrolit, katotdan anoda şarj sırasında ve tam tersi anotdan katoda deşarj sırasında katalizör görevi görür ve elektronların daha kolay hareket etmelerini sağlayıp iletkenliği artırır.
Bariyer ise anot ve katot elektrotlarını birbirinden ayırarak olası bir kısa devre riskini önler ve pil içinde ısınmaya bağlı kararsızlıkları önler.
Nobel ödülü alan üç bilim insanının araştırmalarıyla, lityum iyon pillerde başta anot ve katot olmak üzere bu dört ana bileşen değişik malzemeler yardımıyla geliştirildi.
Lityum iyon pillerin gelişim hikâyesi
S. Whittingham, 1970lerin başında ilk fonksiyonel lityum pilini geliştirdi. Whittingham’ın en büyük başarılarından birisi titanyum disülfürün atom boyutundaki boşluklarında lityum iyonlarını barındırabildiğini farketmesi oldu ve katot elektrodu olarak bu malzemeyi kullandı. Böylece boşluklarında lityum iyonunu tutabilen başka malzemelerin de bulunabileceğine ışık tutmuş oldu.
Ancak Whittingham’ın pilinde elektrolit ile lityum metali reaksiyona girerek lityum liflerini (whiskers) oluşturdu ve bu lifler kısa devre yaparak pilin patlamasına neden oldu.
J. Goodenough, 1980’de pilin potansiyelini iki katına çıkardı (4 Volt) ve çok daha güçlü ve kullanışlı bir pil için doğru koşulları yarattı. Buradaki en önemli fark Goodenough’in titanyum disülfür yerine katot malzemesi olarak yine boşluklarında partikül tutabilen kobalt oksit kullanması olmuştu.
1985 yılında A. Yoshin, pili metalik lityumdan arındırarak lityum iyonlarını temel alan bir pil yaptı. Anot elektrodu olarak kullanılan ve kolayca tepkimeye giren lityum metalini, karbon içeren ve petrol üretiminde yan ürün olarak ortaya çıkan petrol kolası ile değiştirdi.
Kobalt oksitten yapılmış katot elektrodundaki tabakalı yapı karbon kolasında da olduğundan lityum iyonun anot üzerinde de depolanabilmesine olanak sağlanmış oldu. Böylece lityumun iki farklı tabakalı yapı üzerinde depolanabilmesi ve gidip-gelmesi (şarj-deşarj) sağlandı. Goodenough’un pili ile karşılaştırıldığında, Yoshino’nun pili daha güvenli, daha dayanıklı, hafif ve şarj edilebilir oldu. 1991 yılında bu temel özelliklere sahip 4 voltluk bir pil üretildi ve piyasaya sürüldü.
Sonuç olarak günümüzde hala gelişmeye devam eden lityum iyon piller hayatımızın vazgeçilmez birer parçası oldu, bu arada lityum iyon pillerinin fiyatı da oldukça düştü.
Teknolojik avantajlarının yanı sıra lityum iyon pil ve bataryalar, daha temiz enerji teknolojileri ve elektrikli araçların geliştirilmesini sağlayarak sera gazı ve partikül emisyonlarının azaltılmasına katkıda bulundu ve gelecekte de daha çevre dostu elektrikli cihazlar ve araçlar üretilmesine olanak sağlamaya devam edecek.
Emre Erdem
Sabancı Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi öğretim üyesi
Görseller: https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/press-release/
