Katı Hal Pilleri

Katıhal pilleri geleneksel pillerden bilhassa katı haldeki elektrolit yapısı ile ayrılırlar. Elektrolitin görevi anot ve katot arasında iyon iletimini sağlamaktır. Pilin kimyevi yapısına bağlı olarak iletimi sağlanacak iyonlar farklılık gösterir. Bu iyon örneğin lityum iyon pillerde lityum katyonuyken, sodyum iyon pillerde sodyum katyonudur. Katıhal pillerinde yük aktarımı katı kristal yapıda gerçekleşen farklı yük atlama süreçlerine dayanır. Bu süreçlerin temel karakteristiği kullanılan elektrolite bağlı olarak değişir ve Schottky kusurları, Frenkel kusurları benzeri farklı kusurların oluşumu , veya bir ara konumda bulunma neticesinde belirginleşir.

Katıhal pillerinde katı elektrolitlerin kullanılabilmesi için bunların olabildiğince yüksek iyon, aynı şekilde düşük elektronik iletkenliği göstermesi şarttır. Aynı şekilde, katıhal pillerinin, geleneksel pillerin enerji yoğunluğu bakımından aşabilmesi için, metalik anotların uygulama sahasına girmesi gerektiği gibi, bir lityum iyon pil için konuşulacak olursa, bugüne dek kullanılan grafitin yerini metalik lityumun alması beklenmektedir. Metalik lityum pilin doldur boşalt döngülerinde elektrot üzerinde dentrit oluşturmaya meyillidir. Bir lityum pilde lityum anottan katota dek dentrit oluşumu ve bunun neticesinde kısa devre arızası baş gösterebilir. İşte bu durum metalik lityumun geleneksel pillerde bugüne dek kullanılmamasının esas sebebidir. Bu nedenle katı elektrotlardan beklenen lityuma ve dentrit oluşumuna karşı yüksek kararlılıktır. Lityum iyon katıhal pillerinde dentrit oluşumunun sebepleri bugüne dek anlaşılmış ve yoğun biçimde araştırılmış değildir.

Katı Hal Pillerinin Yapısı

Lityum iyon katıhal pillerinde kullanılan malzeme türleri farklı şekilde sınıflandırılabilir. Sıklıkla üç malzeme sınıfı oluşturmak mümkündür: Polimer, sülfürik, oksidik.

Günümüzdeki Lityum hava katıhal pilleri lityumdan bir anot, seramik, cam yahut her ikisinden yapılmış bir kompozit malzeme içeren bir elektrolit ve gözenekli karbondan bir katot ihtiva ederler. Anot ve katot elektrolitten yük aktarımını iyileştiren ve katotu elektrolit ile elektrokimyasal olarak birleştiren bir polimer-seramik alaşım malzemesiyle ayrılır. Polimer seramik alaşımlı malzeme direnci düşürmeye yarar.

Bu tür iyon iletkenleri için, Ag+iyonlarının yük aktarımında Ag4RbI5, Li+ iyonlarının yük aktarımında LiI/Al2O3 karışımları örnek verilebilir.

Özellikler

Katıhal pilleri esasen aşağıda verilen özellikleri sergilerler:

Düşük güç yoğunluğu yüksek enerji yoğunluğu. Düşük güç yoğunluğuna sebep yüksek akımları katı-katı-sınıryüzeyleri üzerinde aktarabilmenin güç olmasıdır. Diğer taraftan bu piller bu noktadaki zayıflığı dengeleyebilecek bazı üstünlüklere sahiptir: Kolayca minyatürleştirilebilirler (örneğin ince film şeklinde imal edilebilirler) ve elektrolitinin pilin gövdesindeki sızıntı neticesinde zarar görme tehlikesi bulunmamaktadır. Kural olarak çok uzun bir ömür beklentisine ve depolama kolaylığına sahip olmakla birlikte sıcaklığın geniş aralıklarda değişmesi durumunda dahi (sıvı elektrolitlerde donma ya da kaynamaya neden olabilmektedir) güç çıkışında keskin düşüşlere maruz kalmamaktadır. Tutuşmama özelliği de ayrıca anılmaya değer bir başka üstünlükleridir.

Katıhal pillerinin en başta gelen zayıflığı olarak cam-seramik elektrolitlerin düşük iyon iletim yeteneği gösterilebilir. Günümüz katıhal elektrolitlerinin iyon iletkenliği sıvı elektrolitlerinkinden düşük kalmaktadır.

Hacim-Güç yoğunluğu pilin büyüklüğünü, kütle-güç yoğunluğu ise pilin ağırlığını belirler. Elektrikli otomobil sektöründe bu kavramlar önemli bir role sahiptirler. Ragone diyagramı güç ve enerji yoğunluğu arasındaki ilişkiyi göstermektedir. IBM firmasının araştırmacılarına göre teorik olarak Lityum-Hava pillerinin erişilebilir spesifik enerjisi (havadaki oksijenin ağırlığı hariç tutularak) kilogram başına 11 kWh (Kwh/kg) kadardır. Araştırmacıları pratikte bu azami değerin ancak onda birine ulaşılabileceğine inanmaktadırlar.

Geçmişten Günümüze Lityum İyon Pilleri

Mevcut lityum iyon pillerin zayıf yönleri arasında örneğin lityum iyon pilin yarısından fazlasını oluşturabilen gerekli soğutma ve diğer düzenekler sayılabilir. Ek olarak, çoğu sıvı elektrolit yanıcıdır ve bu da ek güvenlik düzeneklerini gerekli kılar. Elektrotların kullanım ömrünün uzatılması için pilin de soğutulması ve pilin tamamen şarj veya deşarj olmasının önüne geçilmesi gereklidir. Sakti3 firmasının katıhal pilleri esasen lityum iyon teknolojisine dayanmakta olup akışkan elektrolit burada tutuşma riski olan bir ince katı elektrolit bir tabakası ile yer değiştirmiştir. Bu tasarımın bazı prototiplerinin oldukça sağlam olduğu ve binlerce doldur boşalt döngüsünü gerçekleştirebildiği gözlemlenmiştir.