Yazan : Elif Özdemir, Makina Mühendisi, Nordel Mühendislik Teknik Satış Mühendisi
Lityum iyon piller; yüksek enerji yoğunlukları, uzun döngü ömürleri ve hafif yapıları sayesinde günümüzde elektrikli araçlardan cep telefonlarına kadar geniş bir alanda kullanılmaktadır. Bu ileri teknoloji ürünü pillerin üretiminde ise çevresel koşulların hassas bir şekilde kontrol edilmesi gerekir. Bu koşullar arasında nem, genellikle göz ardı edilse de, pilin güvenliği, performansı ve ömrü açısından belirleyici bir parametredir.
Üretim ortamında sadece %1’lik bağıl nem (RH) artışı bile pil içindeki kimyasal bileşenlerin kararlılığını bozabilir. Lityum iyon pillerin içinde kullanılan lityum hekzaflorofosfat (LiPF₆) gibi elektrolit tuzları, nem ile tepkimeye girerek hidroflorik asit (HF) oluşturur. HF son derece korozif bir bileşiktir; bataryanın içindeki metal yüzeyleri, sızdırmazlık alanlarını ve elektrotları tahrip eder. Bununla birlikte, batarya içerisinde önemli bir görev üstlenen SEI (Solid Electrolyte Interface) tabakasını da parçalayarak LiF çökeltilerinin oluşmasına neden olur. Bu çökeltiler, aktif lityum iyonlarının tüketilmesine ve pilin kapasitesinde kalıcı kayıplara yol açar.
Kimyasal bozulmaların yanında nemin neden olduğu gaz üretimi, hücre içi basıncın artmasına ve fiziksel deformasyonlara da sebep olabilir. Hücrelerin şişmesi, sızıntı yapması ya da yapısal bütünlüklerinin bozulması genellikle bu gaz oluşumlarının sonucudur. Özellikle tüketici elektroniğinde sıkça karşılaşılan “şişmiş batarya” vakalarının temelinde de genellikle nem kontrolündeki eksiklikler yer alır.
Ayrıca, SEI tabakasının yapısal bütünlüğünün bozulması, pilin iç direncini artırır. İç direncin artması, her şarj-deşarj döngüsünde daha fazla enerji kaybı anlamına gelir. Bu durum yalnızca verimi değil, aynı zamanda bataryanın döngü ömrünü de olumsuz etkiler. Literatürdeki birçok çalışmada, üretim sürecinde nem kontrolü sağlanmayan pillerin ilk döngü kapasitesinde %5 ila %10 arasında kayıp yaşandığı, döngü ömrünün ise %30’a kadar kısaldığı rapor edilmiştir.
Bu olumsuzlukların önüne geçmek için, üretim sürecinde nemin her kaynağının titizlikle kontrol altına alınması gerekir. Nem yalnızca ortam havasından değil; aktif elektrot malzemeleri, ayırıcı filmler, elektrolit çözeltileri, hatta slurry hazırlık süreci gibi üretimin birçok farklı aşamasından sisteme dahil olabilir. Özellikle nikel oranı yüksek aktif malzemeler, geniş yüzey alanlarına sahip oldukları için havadaki su buharını hızla absorbe eder ve istenmeyen kimyasal reaksiyonlara girer. Ayrıca insan kaynaklı faktörler (nefes, terleme), yardımcı malzemeler (karton, bez, kağıt vs.) da üretim ortamına nem taşıyabilir.
Bu nedenle, modern üretim hatlarında kuru oda teknolojileri vazgeçilmez hâle gelmiştir. Lityum iyon pil üretiminde kullanılan ortamlar, yalnızca sıcaklık değil, aynı zamanda çiğlenme noktası (dew point) baz alınarak tasarlanır. Örneğin, slurry hazırlama ve kesim aşamalarında bağıl nem %10’un altında tutulmalı, hücre sarımı, elektrolit dolumu ve mühürleme gibi hassas işlemlerde ise ortam çiğlenme noktası -35°C ile -45°C arasında olmalıdır. Bu seviyeleri sağlayabilmek için genellikle desikant veya rotor bazlı nem alma sistemleri, pozitif basınçlı HVAC çözümleri ve yüksek hassasiyetli nem sensörleri kullanılır.
Uygulama Örneği: Nem Kontrolü Eksikliğinin Üretim Kalitesine Etkisi
2022 yılında Asya merkezli büyük bir pil üreticisi, belirli bir ürün grubunda erken dönem şişme problemleriyle karşılaştı. Sorunlu partide yer alan hücrelerin büyük çoğunluğu, henüz 300 döngüye ulaşmadan fiziksel deformasyon göstermeye başladı. Yapılan analizlerde, söz konusu üretim döneminde kuru odadaki çiğlenme noktasının hedeflenen -45°C yerine -30°C seviyelerinde kaldığı tespit edildi.
Karl Fischer ölçümleri, elektrot yüzeyinde 300–350 ppm arasında su varlığına işaret etti. Ayrıca, bazı hücrelerde elektrolit bozulmasına bağlı olarak HF ve LiF gibi bozunma ürünlerine rastlandı. Bu durum, ortam neminin kontrol edilememesinin doğrudan kimyasal bozulmayı ve gaz oluşumunu tetiklediğini açıkça ortaya koydu.
Firma, bu sorun sonrasında üretim hattındaki nem alma sistemlerini yeniden kalibre etti, sensörlerin ölçüm frekansını artırdı ve çalışanlara yönelik farkındalık eğitimleri düzenledi. Uygulanan önlemler sonrası takip eden üretim partilerinde hücre şişme oranı %75 oranında azaldı ve pil ömründe ortalama %8 iyileşme kaydedildi.
Lityum iyon pil üretiminde nem, görünmeyen ancak etkisi son derece yıkıcı olan bir parametredir. Yalnızca %1’lik bağıl nem farkı bile, kapasite kaybı, şişme, güvenlik riski ve döngü ömründe azalma gibi ciddi sorunlara yol açabilir. Bu nedenle, kuru oda tasarımı, sürekli izleme sistemleri, proses limiti takibi ve personel farkındalığı, üretim kalitesinin sürdürülebilirliği açısından önemli bir unsurdur. Güvenilir bir batarya, kuru bir ortamda başlar.