Neden Geri Dönüşüm? -Lityum İyon Piller

Neden Geri Dönüşüm? -Lityum İyon Piller

Lityum iyon Pillerini ve Çalışma Prensibi

Lityum iyon piller günümüz teknolojisinin vazgeçilmez birer parçası haline dönüşmüştür. Cep telefonlarından kişisel bilgisayarlara, elektrikli otomobillerden uzay teknolojilerine kadar çeşitli yerlerde, sahip oldukları enerji depolama ve kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürebilme kapasitesinden ötürü kullanılmaktadır. Peki lityum iyon pilleri bu kadar özel kılan şey aslında nedir? Cevabı aslında basit; çalışma prensibi… Standart bir lityum iyon pili iki adet elektrot (pozitif elektrot katot ve negatif elektrot anot), iki adet akım toplayıcı, elektrolit ve şarj-deşarj döngüsünde sadece lityum iyonlarının geçişine izin veren separatörlerden oluşmaktadır. Elektrolitler şarj ve deşarj sırasında Li+ iyonlarının katot ve anot arasında geçişini sağlayan, fakat elektronların taşınmasına izin vermeyen ortamlardır. Tipik olarak bir lityum iyon pilinde elektrolit olarak lityum tuzları (LiPF6, LiBF4, vb.) veya organik çözücüler (etilen karbonat, dimetil karbonat, vb.) kullanılmaktadır. Elektrotlar ise bir pilde Li+ iyonlarını tersinir olarak depolayabilen, elektron transferine izin veren ve pilin güç, spesifik enerji, çevrim sayısı gibi faktörlerini belirleyen temel unsurlarıdır. Tipik bir pil hücresinde iki tip elektrot bulunmaktadır; katot ve anot. Anot veya negatif elektrot, şarj sırasında Li+ iyonlarını yapısında depolayan ve deşarj sırasında Li+ iyonlarının katota veya pozitif elektrota doğru akmasına izin veren elektrottur. Endüstriyel olarak en çok kullanılan anot malzemesi grafittir. Grafit atomları katmanlı bir yapıya sahip olup, şarj sırasında Li+ iyonlarını katmanlar arasına interkalasyonu gerçekleşmektedir. Deşarj veya kullanım sırasında ise bu Li+ iyonları de-interkalasyon olup katot tarafına geçmektedir. Katot veya pozitif elektrot ise bir pilin gerilimini (V) ve büyük ölçüde enerji yoğunluğunu (Wh/kg) belirleyen elektrottur. Katotlar bir pilin lityum kaynağı olarak düşünülebilir. Tipik bir katot, lityumun geçiş metalleri ile yaptığı oksitli bileşiklerinden oluşmaktadır. LiCoO2, LiNixMnyCo(1-x-y)O2, LiMn2O4, LiFePO4 vb. gibi bileşiklerden oluşmaktadır. Şarj sırasında Li+ iyonları yapıdan uzaklaşırken, yapıdaki geçiş metalleri oksitlenerek yapının stabil kalmasını sağlamalıdır. Bu arada, anot ve katot malzemelerinin belirli bir mikron altındaki toz malzemeden oluştuğu unutulmamalıdır. Bu tozalar PVDF gibi bağlayıcılar ile akım toplayıcı olarak adlandırılan plakaların üzerine kaplanmaktadır. Akım toplayıcılar, elektronların sisteme taşınmasını sağlarken elektrotlara mekanik destek sağlayan metalik folyolardır. Elektrokimyasal sebeplerden ötürü katot kısmında Alüminyum, anot kısmında ise Bakır folyo kullanılmaktadır. Tüm bunlar basit bir pilin çalışma prensibi hakkında özet niteliğinde bilgiyi bize sunmaktadır. Li+ iyonlarının hareketi sırasında zamanla bu mekanizme işlevselliğini yitirmeye başlar, nihayetinde ise pil çalışamaz hale gelir. Bu noktadan sonra bataryanın içerisindeki kıymetli metallerin tekrardan kazanılması hem çevre (atık bataryanın çevreye vereceği zarar) hem de ekonomik (cevherden işlemek yerine, yüksek konsantrasyondaki metallerin geri kazanılması) sebeplerden ötürü önem arz etmektedir.

Geri Dönüşüm

Lityum iyon piller kullanıma bağlı olarak, zaman ile işlevselliklerini kaybetmeye başlamaktadırlar. Li+ iyonlarının transferi sırasında, bu iyonlar bazen stabil bileşikler oluşturur ve bunun sonuncunda şarj-deşarj döngüsü kapasitesinde zamanla azalmalara sebep olurlar. Aslında telefonlarımızda gördüğümüz pil sağlığı veya kapasitesi tahmini olarak Li+ iyonlarının yüzde kaçıncının sağlıklı çalıştığını söylediğini düşünebiliriz. Belirli bir kapasitenin altına inen pillerin işlevsiz hale geldiği yadsınamaz bir gerçekliktir. Bu pillerin, yenileri ile değiştirilmeleri gerekmektedir.

Peki bu atık piller ile ne yapacağız? Bu pillerin doğaya terkedilmesi veya toprak altına gömülmesi ciddi problemleri de beraberinde getirmektedir. Yüksek kapasiteli pillerin, cep telefonları ve bilgisayarlarda kullandığımız, çoğu yüksek miktarda kobalt içermektedir. Belirli bir konsantrasyonun üzerinde kobalta maruz kalmak insan, çevre ve hayvan sağlığı üzerinde olumsuz etkileri olmaktadır .^[1] Yine aynı şekilde bu piller Nikel, Mangan gibi geçiş metallerini içermekte olup, bu metallerin konsantrasyon fazlalığı çevre sağlığını etkilemektedir. Bu pillerin doğaya terkedilmesi çevre sağlığı açısından kabul edilebilir bir yöntem olmadığı aşikardır. Ayrıca, lityum iyon piller aynı zamanda ekonomik değeri yüksek malzemeleri yapısında içermektedir. Wang ve diğerleri (2016) tarafından yapılan çalışmada atık LiCoO2. iyon pillerin içerdiği malzemelerin ağırlıkça yüzdeleri incelenmiş ^[2] Atık pil ağırlıkça yaklaşık %50 metalik değer içerirken, %30 civarında grafit içermektedir. Kobalt ve lityum gibi metallerin cevherlerindeki içerikleri bu değerlerinin çok altındadır. Bu atıklar, bu metallerin üretilmesi için oldukça yüksek bir konsantrasyon sunmaktadır.

Bazı malzemeler kullanım alanın çok geniş olmasına rağmen, kaynaklarının kısıtlı olması veya tedarik kısmında bazı zorlukların olmasından dolayı kritik hammadde olarak sınıflandırılmaktadır. AB komisyonu tarafından 2023 yılında kritik hammaddeler listelenmiştir. Lityum, kobalt, pil sınıfı nikel, mangan, bakır ve grafit gibi tipik bir lityum iyon pil bileşenleri gerek kaynaklarının yetersiz görülmesi gerek ise tedarik zincirindeki problemlerden ötürü bu listede yer almaktadır. Bu hammaddeler arasından kobalt dikkat çekmektedir. Kobalt yüksek kapasiteli pillerin yapı taşı konumunda olup, AB, Kanada ve ABD tarafından da kritik hammaddeler listesinde yerini almıştır. Kobaltın bu kadar kritik olmasının sebebi tedarik ve üretiminde yaşanabilecek istikrarsızlıklar olarak görülebilir. İsveç Jeolojik Araştırma kurumu tarafından yapılan çalışmada kritik hammaddelerin hangi ülkeler tarafından üretildiği raporlanmıştır. Dünya kobalt üretiminin yaklaşık %63’ü Demokratik Kongo Cumhuriyeti tarafından sağlanmaktadır. Bölgedeki istikrarsız yönetimler kobalt üretimini de etkilemiş olup, fiyatların dalgalanmasına sebep olmuştur. Tüm pil üretiminde kullanılan malzemeler için düşünüldüğünde, gerek cevherden üretiminin zor ve çevresel etkilerinin yüksek olması, gerek ise bu cevherlerin belirli bölgelerde toplanmış olması geri dönüşümü ve bu atıklardan kritik hammaddeleri geri kazanılmasını zorunlu hale getirmiştir.

Günümüzde AB ülkeleri, atık pillerin pasaportlanması ve saklanması gibi regülasyonlar üzerine çalışmaktadır. Bu atıklar yapılarında oldukça yüksek miktarda kritik hammadde içermekte olup, uygun yöntemlerle geri dönüştürülmesi hem ekonomik hem de çevresel açıdan vazgeçilmez bir unsur haline gelmiştir. Elektrikli araba kullanımın son yıllarda artması, atık pil miktarının da önümüzdeki 10 yıl içerisinde artacağı anlamına gelmektedir. Her ülke kendi regülasyonlarını bir an önce tamamlamalı ve atık pillerini uygun şekilde saklamalıdır. Yeterli miktarda atık pile ulaşıldığında bu pillerin geri dönüşümü sağlanmalı, içerdiği kritik hammaddeler tekrardan kullanılmak üzere endüstriye sunulmalıdır.