Pillerin Kimyası

Geçmişten günümüze gelişen teknoloji ile beraber pil içerisinde kullanılan kimyasallar da değişmiştir. Bu değişim kullanıma veya istenen özelliklere göre değişim göstermiştir. Bu yazımızda birbirinden farklı pil çeşitlerinden bahsedeceğiz. Fakat, bundan önce ilk olarak elektrokimyadan biraz söz edelim.

Elektrokimya nedir?

Maddenin içerisinde ki elektrik enerjisinin kimyasal enerjiye ve kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüşümünü inceler. Bunun yanı sıra kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren elektrokimyasal hücrelerimiz bulunur. Elektro kimyasal hücreler, redoks tepkimesi sonucu elektrik akımı oluşturur. Bu elektrokimyasal hücreler galvanik ve elektrolitik olarak tanımlanır. Bu hücrelere galvanik hücreler veya kısaca pil denir. Piller iki yarı hücreden meydana gelir. Bu iki yarı hücreden birinden bir diğerine elektron akışı olur. Bunlara yükseltgenme-indirgenme reaksiyonları da diyebiliriz. Yükseltgenme olan tarafa anot, indirgenme olan tarafa ise katot denir. 

Yarı hücrelerin ayrı ayrı potansiyelleri hesaplandıktan sonra genel olarak hücrenin toplam potansiyeli hesaplanır. Burada ki hücre potansiyeli elektrotun potansiyeli ile ilişkilidir. Elektrotun potansiyeli ise elektron alıp-verme eğilimi ile alakalıdır. 

 

Pil Tasarımı ve Kimyası

Pil tasarımında iki temel husus söyleyebiliriz. Bunlar güç yoğunluğu(Wh / kg ) ve ağırlıksal enerji yoğunluğudur. Bunların yanı sıra enerji verimliliği, şarj özellikleri, ağırlık, maliyet, ömür ve çevrim konusunda da iyi performans sergilemelidir. Günümüzde elektrikli araçlardan  dizüstü bilgisayarlara, demiryollarından cep telefonlarına kadar farklı tipte, isterler de piller kullanılmaktadır. Bu yüzden endüstride kullanılan pek çok pil çeşidi mevcuttur.

Bu çeşitler kullanılan plaka ve malzemeye göre ayırabiliriz. Bu malzeme ve elektrolite bağlı olarak anma ve enerji yoğunluğu da değişerek bize ihtiyacımıza göre teknolojiler sunar. Şimdi bu teknolojilere ve özelliklerine girebiliriz.

Kurşun-Asit (Pb-Acid) Piller

Bu pil teknolojisi en eski ve hala kullanılan yaygın bir teknolojidir. Burada negatif elektrot kurşun(Pb) , pozitif elektro ise kurşun di oksit(PbO2) ve elektrolitik olarak sülfürik asit materyalleri kullanılmaktadır. Yüksek deşarj akımı, hafıza etkisinin bulunmaması, düşük özboşalım ve ucuz olması gibi avantajları bulunur. Bununla beraber nominal gerilim ve enerji yoğunluğu bulunur. Kullanılmadığı durumlarda batarya ömürleri azalır.

Alkalin Piller

Bir diğer ismi ile nikel tabanlı piller, kurşun asitlere göre daha uzun ömürlü ve aynı zamanda iyi bir güç ve enerji yoğunluğu sunar. Bu pillerde bileşim olarak pozitif elektrot ve elektrolit olarak nikel hidroksit kullanılır. Negatif elektrolit olarak kendi içinde ayrılarak, o isimlerle anılan farklı piller oluşturur.

Ni-Zn (Nikel Çinko) Piller

Bu pil tipi diğer pillere kıyasla daha yüksek nominal voltaj değerine ulaşır. Düşük maliyetli malzemelerden oluşarak kısa çevrim ömrüne sahiptir. Çevre dostudur.

Ni-Cd (Nikel Kadmiyum) Piller

Güvenli ve ucuz bir teknolojidir. Bu piller yüksek deşarj akımına sahiptir ve hasar görmeden tamamen şarj edilebilirler. Lakin önemli dezavantajlara sahiptir. Yüksek özboşalıma sahip olması, zayıf şarj/ deşarj verimi ve hafızanın etkili olması. Bunların yanında kadmiyum bir ağır metal olduğundan çevreye oldukça zararlıdır.

Ni-MH (Nikel Metal Hidrit) Piller

Ni-Cd pillere alternatif olarak üretilmiştir. Bunun sebebi Ni-Cd’ a göre daha yüksek şarj gerilimine sahip olması ve zehirli madde içermemesinden kaynaklanır. Özellikle telekom uygulamaları ile ön plana çıkmışlardır. Bunun yanı sıra otomotiv sektöründe de kullanılmaktadır. Elektrikli araçlarlar için ciddi bir aday olarak görülmektedir. Bunun yanı sıra  Ni-Cd’a göre daha yüksek öz boşalım oranına ve aşırı şarj durumunda daha düşük güvenliğe sahiptir.

Zebra Piller

80’li yıllarda anot için aktif malzeme olarak sıvı sodyum kullanılmaya başladı. Sodyum nikel klorür pillere Zebra piller dendi. Zebra isminin sebebi “Zero Emission Battery Research Activity” projesinden türetilmiştir.

Kurşun asit ve nikel tabanlı piller ile kıyaslanınca nominal voltaj ve enerji yoğunluğu fazladır. Bunun yanı sıra düşük özgül güce ve kendi kendine deşarj problemleri mevcuttur. Ayrıca sıcaklık yönetimi de zordur. Bunun sebebi pilin sahip olduğu elektrolit  300-350°C de sıvı halde muhafaza edilmesi gerekir. Edilmediği durumlarda kendi kendini deşarj etme problemi ile karşılaşılır. Bu da yoğun halde kullanılan araçlar için kullanımının elverişli olacağı anlamına gelir.

Lityum Piller

Li-İon Piller

Diğer pillere göre daha yüksek enerji ve güç yoğunluğuna sahiptirler. Aynı zaman uzun raf ömürleri vardır. Öyle ki kendi kendine deşarjı ayda %5 ten azdır ve bununla birlikte pil ömrü 1500’den fazla döngüye sahiptir.

Bunun yanında Li-ion piller çok daha kırılgandır. Kullanıldığı yerlerde derin deşarj ve sıcaklık gibi durumların kontrolü için koruyucu devrelere ihtiyaç duyar. Bu gibi durumlarda pilin ömründen kaybedebilir. Li-ion pillerin kullanım alanları bugün diz üstü bilgisayarlardan, elektrikli araçlara kadar pek çok ortamda mevcuttur.

LiPo ( Lityum İyon Polimer) Piller

Li-ion pillerle benzer özelliklere sahip bu pilin üretimi daha kolay, daha hızlı ve daha çeşitli olabilmektedir. Ayrıca Polimer elektrolitinin materyali diğer organik sıvı elektrolitlere göre iletkenliği daha fazladır.

LiFePO4 (Lityum Demir Fosfat) Piller

Enerji yoğunluğu yüksek, çevrim oranı fazla ve daha güvenilir pillerdir. Lakin Li-İon pillere göre daha düşük verimdedir.

LiNiCo(Lityum Nikel Cobalt) Piller

Ağırlıksal enerji yoğunluğu fazla ancak güç yoğunluğu düşüktür. Genellikle uzun çalışma süresi elde etmek için taşınabilir aygıtlarda kullanılır. Bunun yanısıra kimyasal termal özellikleri zayıftır. Bundan dolayı yangın malzemesi haline gelir. Yüksek maliyetlere sahip olduğundan elektrikli araçlarda kullanılamaz.

LiNiCoAl(Lityum-Nikel-Kobalt-Alüminyum) Piller

LiNiCo piller yerine kullanabilecek bu piller benzer özelliklere sahiptir. Lakin daha güvenlik özelliklerine sahiptir. Ancak diğer pillere göre daha az güvenlikli ve yüksek maliyetlidir. Bu teknolojiyi Tesla araçlarında kullanmıştır.

LiNiMnCo(Lityum-Nikel-Manganez-Kobalt) Piller

Yüksek enerji kapasitesine ve yüksek voltajla çalışır. Bu özellikleri sebebi ile otomotiv sektörü tarafından kullanılır.

Bu Li pillerin yanı sıra farklı katotlara sahip daha pek çok Li tabanlı pil bulunmaktadır. Bunlar LMO(Lityum-Manganez-Oksit), LFP(Lityum-Demir-Fosfat), LTO(Lityum-Titanat-Oksit) gibi pillerdir.  Aynı zamanda üstünde çalışmaların devam ettiği geleceğin pilleri diyebileceğimiz araştırmalarda devam etmektedir.

Kaynakça

1. Akgundoğdu, Abdurrahim, Hasan Tiryaki, Orcun Karadeniz, Gökhan Erdoğan, Ufuk Şahin,Mert Yahya Yılmaz, Sedat İn ve İlhan Kocaarslan, Elektrikli Araçlar için Batarya Paketi ve Batarya Yönetim Sisteminin Gerçeklenmesi
2. Ömer Faruk ÖZCAN, Teoman KARADAĞ, Mehmet ALTUĞ, Ömerül Faruk ÖZGÜVEN Elektrikli Araçlarda Kullanılan Pil Kimyasallarının Özellikleri ve Üstün
   Yönlerinin Kıyaslanması Üzerine Bir Derleme Çalışması GU J Sci, Part A, 8(2): 276-298 (2021)
3. Ankara Üniversitesi Ders Notları