Akıllı telefonlar, dizüstü bilgisayarlar, kablosuz kulaklıklar ve elektrikli otomobiller, günümüzün en yaygın teknolojileri arasındadır. Bu cihazların hepsinin ortak bir noktası vardır: Enerjilerini lityum iyon pillerden alırlar. Bu piller, küçük bir hacimde büyük miktarda enerji depolayabilmeleri ve yüzlerce kez yeniden şarj edilebilmeleri sayesinde taşınabilir elektronik devrimini mümkün kılmıştır. Lityum iyon pillerin geliştirilmesine katkıda bulunan üç bilim insanı, 2019 yılında Nobel Kimya Ödülü'ne layık görülmüştür.

Her pil, temelde kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir düzenektir. Bir pilde, anot ve katot adı verilen iki elektrot ile bunların arasında elektrolit adı verilen bir madde bulunur. Pil kullanıldığında anotta bulunan atomlar elektron verir. Bu elektronlar, pile bağlı cihazın devresinden geçerek katoda ulaşır ve bu sırada cihazı çalıştırır. Aynı anda pilin içinde, elektrik yükünü dengelemek için iyonlar elektrolit aracılığıyla anottan katoda doğru hareket eder. Pil tükendiğinde ise bu kimyasal süreç sona ermiş demektir.

Lityum, piller için son derece cazip bir elementtir. Periyodik tablodaki en hafif metaldir ve elektron verme eğilimi çok yüksektir. Bu özellikler, lityumla yapılan pillerin hem hafif hem de güçlü olmasını sağlar. Ancak saf lityum metali son derece tepkimeye yatkındır. Suyla şiddetli biçimde tepkimeye girer ve bazı koşullarda alev alabilir. Yetmişli yıllarda geliştirilen ilk şarj edilebilir lityum pillerde, tekrar tekrar şarj edilen lityum metalinin yüzeyinde iğne biçiminde yapılar oluştuğu ve bunların pilin içinde kısa devreye ve yangınlara yol açabildiği görüldü.

Bu sorunun çözümü, lityumun metal olarak değil, iyon hâlinde kullanılmasıydı. Lityum iyon pillerde, lityum iyonları iki elektrot arasında gidip gelir; ancak hiçbir zaman saf metal olarak birikmez. Elektrotlar, lityum iyonlarının aralarına yerleşebileceği katmanlı yapılara sahip malzemelerden yapılır. Bu yapılar, kitapların raflara yerleştirilmesine benzetilebilir. Pil şarj edilirken lityum iyonları katottan çıkarak anottaki rafların arasına yerleşir. Pil kullanılırken ise iyonlar anottan ayrılarak yeniden katottaki raflara döner.

Bu buluşun gelişiminde farklı ülkelerden bilim insanlarının katkıları birleşti. Yetmişli yıllarda bir araştırmacı, lityum iyonlarının katmanlı bir malzemenin arasına yerleşebildiğini göstererek ilk adımı attı. Seksenli yılların başında bir başka araştırmacı, kobalt oksit içeren bir katot malzemesinin çok daha yüksek bir voltaj sağlayabildiğini keşfetti. Seksenli yılların ortasında ise Japon bir araştırmacı, anot olarak karbon bazlı bir malzeme kullanarak güvenli ve ticari olarak üretilebilecek ilk lityum iyon pili geliştirdi. Bu piller, doksanlı yılların başında piyasaya çıktı.

Lityum iyon pillerin en önemli üstünlüklerinden biri, yüksek enerji yoğunluğudur. Aynı ağırlıktaki eski tip şarj edilebilir pillere göre çok daha fazla enerji depolayabilirler. Ayrıca kullanılmadıkları zaman yükleri çok yavaş azalır ve eski bazı pillerde görülen, tam boşalmadan şarj edildiğinde kapasitenin düşmesi sorunu bu pillerde belirgin değildir. Bu özellikler, onları taşınabilir cihazlar ve elektrikli araçlar için ideal hâle getirmiştir.

Ancak lityum iyon pillerin de sınırlılıkları vardır. Her şarj ve boşalma döngüsünde elektrotlarda küçük değişiklikler oluşur ve pilin kapasitesi zamanla azalır. Birkaç yıllık kullanımdan sonra telefonların şarjının eskisi kadar uzun süre dayanmaması bu nedenledir. Pillerin aşırı ısınması, fiziksel olarak zarar görmesi ya da hatalı üretilmesi durumunda ise iç kısımlarda kontrolsüz tepkimeler başlayabilir ve pil alev alabilir. Bu nedenle lityum iyon piller, sıcaklığı ve şarj durumunu sürekli izleyen elektronik koruma devreleriyle birlikte kullanılır.

Bu pillerin üretimi, önemli çevresel ve toplumsal sorunları da beraberinde getirmektedir. Lityum, çoğunlukla Güney Amerika'daki tuz göllerinden ya da bazı ülkelerdeki madenlerden elde edilir. Tuz göllerinden lityum çıkarılması büyük miktarda su kullanımı gerektirir ve bu durum kurak bölgelerde yerel halkla anlaşmazlıklara yol açabilir. Bazı pillerde kullanılan kobaltın çıkarıldığı madenlerde ise kötü çalışma koşulları ve çocuk işçiliği gibi ciddi insan hakları sorunları raporlanmıştır.

Kullanılmış pillerin geri dönüştürülmesi de giderek önem kazanmaktadır. Piller, değerli metaller içerdiği için geri dönüşüm hem çevresel hem de ekonomik açıdan anlamlıdır. Ancak pillerin geri dönüştürülmesi teknik olarak karmaşıktır ve dünya genelinde kullanılmış pillerin önemli bir kısmı hâlâ geri dönüştürülmemektedir. Pillerin evsel çöplerle birlikte atılması ise yangın riski ve çevre kirliliği yaratabilir.

Bilim insanları, daha güvenli, daha ucuz ve daha sürdürülebilir pil teknolojileri geliştirmek için yoğun çaba harcamaktadır. Kobalt kullanımını azaltan ya da tamamen ortadan kaldıran katot malzemeleri, sıvı yerine katı elektrolit kullanan ve daha güvenli olması beklenen katı hâl pilleri, lityum yerine daha bol bulunan sodyumla çalışan piller bu araştırmaların başlıcaları arasındadır.

Lityum iyon piller, yenilenebilir enerjiye geçişte de kritik bir rol oynamaktadır. Güneş ve rüzgâr gibi kaynaklardan elde edilen enerji, her zaman ihtiyaç duyulduğu anda üretilemez. Büyük ölçekli pil sistemleri, bu enerjinin depolanıp gerektiğinde kullanılmasını sağlayarak temiz enerjinin daha güvenilir hâle gelmesine katkıda bulunur.