Lityum-İyon Bataryalardan Değerli Metallerin Kazanımı

Lityum-İyon Bataryalardan Değerli Metallerin Kazanımı Yazı Dizisi / Bölüm 1 Giriş Gelişen teknoloji ve artan tüketim ile beraber elektrikli ve elektronik ekipmanların kullanımında da artış meydana gelmektedir. Bu durum genel olarak pil kullanımının artmasına yol açmaktadır. Kullanıldığı cihaz ve sektörlere göre kullanılan piller çeşitlilik göstermekte olup, çalışma prensibi bakımından primer (şarj edilemez) piller ve sekonder (şarj edilebilir) piller olmak üzere ikiye ayrılmaktadırlar. Primer pillerde gerçekleşen reaksiyonlar tek yönlü olup, sekonder pillerdeki reaksiyonlar ise dışarıdan elektrik enerjisi verilerek geri çevirilebilmektedir. Tek kullanımlık pillerin kullanımının artmasıyla atık pil problemi ortaya çıkmaktadır. Aynı zamanda şarj edilebilir pil türü olan lityum iyon pillerin geniş bir kullanım alanına sahip olmasından dolayı ortaya çıkan atık miktarı da artmaktadır. En çok bilinen lityum iyon pil türleri, lityum kobalt oksit (LiCoO2), lityum mangan oksit (LiMnO2), lityum nikel kobalt mangan (LiNiCoMnO2), lityum demir fosfat (LiFePO4), lityum nikel kobalt alüminyum (LiNiCoAlO2) ve lityum titanat (Li4Ti5O12) pillerdir. Lityum iyon pillerde grafit, kobalt ve lityumun yanı sıra alüminyum, nikel, mangan, bakır, titanyum, bazı nadir toprak elementleri ve plastikler bulunmaktadır. Kritik ve stratejik hammadde olarak bilinen bu elementlerin geri kazanımı oldukça önemlidir. Gelişen teknoloji, ekonomik sebepler ve bazı kritik hammaddelere ihtiyacın giderek artması, lityum iyon pillerden değerli metallerin geri kazanımını zorunlu hale getirmektedir. Lityum iyon piller, genel olarak anot, katot genel olarak anot, katot ve elektrolit olmak üzere üç kısımdan oluşmaktadır. Katot, metal oksitlerden oluşmakta ve ticari olarak en yaygın kullanılan LiCoO2’tir. Anot ise gözenekli karbon bir yapıdan oluşmakta ve bu amaçla başlıca kullanılan malzeme grafittir. Elektrolit ise, genelde lityum iyonlarını içeren LiPF6 gibi organik çözücülerden oluşmaktadır (Vıcıl, 2011). Şekil 1’de pili oluşturan bölümler ve malzeme içerikleri verilmektedir (Ellingsen ve Hung, 2018). Her geçen gün lityum iyon pil teknolojisi gelişmektedir. Bu gelişmelerle beraber kullanım alanları artmakta ve dolayısıyla kullanım miktarı da paralellik göstermektedir. Cep telefonları ve dizüstü bilgisayar kullanımı ile yaygınlaşan lityum iyon piller günümüzde çok daha büyük kapasitelerdeki güneş enerji depolama sistemlerinde, elektrik araçlar ve otobüslerde de kullanılmaya başlanmıştır. Neredeyse birçok teknolojik alette kullanılmaları, lityum iyon pil piyasasının hacmini oldukça ciddi miktarda büyütmüştür (Pillot, 2019). Lityum iyon piller, yüksek ısıya maruz kaldıklarında yanma, parlama gibi tehlikeli durumlara yol açabilmektedirler. Bu nedenle, geçmişten günümüze, lityum iyon pillerin güvenlikli kullanımı üzerine birçok çalışma yapılmış ve teknolojiler geliştirilmiştir. Özellikle elektrikli araçlar gibi yüksek miktarda pil içeren teknolojik cihazlarda pil soğutma sistemleri yer almaktadır. Cep telefonu gibi soğutma sistemi olmayan cihazlar ise, doğrudan güneşe maruz bırakılmamalıdırlar. Yeni teknolojiye sahip lityum iyon piller, atalarına göre çok daha güvenli kullanım durumu sağlamaktadır. Böylelikle lityum iyon piller, elektrikli araçlarda da kolaylıkla kullanılabilir hale gelmektedir. Aynı zamanda, düşük maliyetli ve kolay bakımları sayesinde tercih sebebi olmaktadırlar. Uzun ömürlü ve uzun süreli depolanabilirliği sayesinde de lityum iyon pillerin avantajı oldukça büyüktür (Prabhakar, 2008). Lityum kobalt oksit (LCO) türü lityum iyon piller, yüksek özgül enerjiye sahiptirler. Yüksek özgül enerjiye sahip olması da pil hacmine göre depoladığı enerji miktarı oranının oldukça yüksek olması anlamına gelmektedir. Bu nedenle, LCO türü lityum iyon piller en çok cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar gibi taşınabilir teknolojik cihazlarda kullanılmaktadır (Akkuş, 2011). Lityum iyon piller, başlıca anot ve katottan oluşmaktadır. Bakır anot üzerinde grafit, alüminyum katot üzerinde ise lityum kobalt oksit bulunmaktadır. Enerji harcanması durumunda, lityum iyonları anottan katota doğru hareket ederken, şarj esnasında bu hareket tam tersi yönde gerçekleşmektedir (Şahan ve Patat, 2014). Yüksek özgül enerjiye sahip olmalarına karşın, LCO türü pillerin döngü sayısı azdır. Bu nedenle sık sık değiştirilmek durumunda kalmaktadırlar. Kullanıldığı alana göre lityum iyon pil türü değişmekle beraber, küçük el aletleri, elektrikli araçlar ve yüksek enerji depolama kaynağı olarak kullanılırlar. Şekil 2’de cep telefonunda kullanılan lityum iyon pillerin yapısı ve parçaları gösterilemekte iken, reaksiyon 1 ve 2’de ise LCO pillerindeki anodik ve katodik reaksiyonlar gösterilmektedir (Gülbeyaz, 2019). Kimyasal değişiklikler ise çok büyük oranda aktif katot malzemesinde gerçekleşmektedir. Lityum iyon piller içerisinde de farklı türleri meydana getiren bu değişiklik, kullanım ihtiyacını doğrudan etkilemektedir. Kullanılan farklı hammaddeler ile, lityum iyon pillerde kapasite güç ve kullanım ömrü artışları sağlanabilmektedir (Miao ve diğ., 2019). Anot ve katot genel olarak elektrot olarak adlandırılabilmekte, bu elektrotlar katmanlı ve spinel bir yapıya sahip olabilmektedirler. Katot, tabakalı yapısı sayesinde hücrenin şarj-deşarj olmasını sağlamaktadır. Şarj ve deşarj esnasında, lityum iyonları pozitif ve negatif elektrot arasında yer değiştirmektedir. Lityum iyonlarının bahsedildiği gibi yer değiştirme reaksiyonlarına topotaktik denmektedir (Bolat ve diğ., 2012). Pil içerisinde gerçekleşen kimyasal reaksiyonda anot ve katot aktif malzemelerdir. Şekil 3’te de görüldüğü gibi, lityum ise, aktif malzemeler arasında geçiş yapmaktadır (Şahan ve Patat, 2014; Gülbeyaz, 2019). Hazırlanan raporlara göre, lityum iyon pillerin market hacmi, 2017’de 1 milyar dolara, 2020’de 36 milyar dolara ve 2030’da ise 75 milyar dolara ulaşacağı öngörülmektedir. (Pillot, 2019). 2000’li yılların başında yalnızca dizüstü bilgisayar ve cep telefonları gibi cihazlarda kullanılan lityum iyon piller, 2020’li yıllarda, elektrikli araçlar gibi daha yüksek teknoloji gerektiren alanlarda kullanılması nedeniyle, oldukça yüksek gigawatt değerlerine ulaşmıştır. Geçen on yıllık süre içerisinde, toplam atık lityum iyon pil miktarının on yıllık süreçteki değişimi Şekil 4’te gösterilmiştir (Melin, 2020). 2020 yılında 1000 gigawatt/saat olan hacim, 2025 yılına doğru yaklaşık üç kat artış göstereceği öngörülmektedir. Analitik raporlara göre, en çok kullanılacağı alan olacağı elektrikli araç sektöründeki sayıların ivmeli artışı göz önüne alındığında, bu rakamın 2030 yılında 11 katına çıkması beklenmektedir (Melin, 2020). Arş. Gör. Zeynep Üçerler İstanbul Teknik Üniversitesi Maden Fakültesi, Cevher Hazırlama Mühendisliği Bölümü Arş. Gör. Nazlım İlkyaz Dinç İstanbul Teknik Üniversitesi Maden Fakültesi, Cevher Hazırlama Mühendisliği Bölümü Doç. Dr. Fırat Burat İstanbul Teknik Üniversitesi Maden Fakültesi, Cevher Hazırlama Mühendisliği Bölümü