Ülkemizde kumanda, saat gibi cihazlarda kullanılan depolama elemanına pil denirken; cep telefonu, taşınabilir bilgisayar gibi cihazlarda kullanılan depolama elemanına batarya denmektedir. Aslında bu iki eleman arasında bir fark yoktur. Piller genellikle tek hücreli ve şarj edilemeyen yapıdadır. Bataryalar ise şarj edilebilir yapıdadır ve genellikle çok hücreli olarak kullanılırlar.
İlginizi çekebilir: elektrik enerjisi depolama yöntemleri
Linkteki yazıda da görüldüğü gibi batarya, primer ve sekonder olmak üzere ikiye ayrılır; Primer bataryalar, genellikle basit ev aletlerinde kullanılan batarya türüdür. Halk arasında kalem pil olarak bilinir. Primer bataryalar tek kullanımlıktır. Belirli bir kullanımdan sonra pilin içindeki kimyasal reaksiyon sona erer ve pil daha fazla enerji üretemez. Bu kullanım süresi pilin kimyasal yapısına göre farklılık gösterir.
Sekonder bataryalar ise yeniden şarj edilebilen türde bataryalardır. Bu yüzden bağlı oldukları cihazda şarj devresi bulunması gerekir. Günlük hayatta kullandığımız birçok teknolojik cihazda sekonder batarya bulunur. Ayrıca primer bataryalar genellikle tek hücreli olarak üretilirken, sekonder bataryalar ihtiyaca göre çok hücreli olarak üretilir.
Pil Parametreleri
Mühendislik uygulamaları için çok sayıda batarya geliştirilmiştir. Hepsinin farklı kullanım alanları, avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Bu değerlendirme ise pil parametrelerine göre yapılır.
Hücre Gerilimi
Bataryanın nominal gerilime sahip birimine hücre denir. Hücre gerilimi bataryanın yapısına göre değişiklik gösterir. Örneğin; kurşun asit bataryanın hücre başına düşen nominal gerilimi 2V iken, bu gerilim lityum iyon bataryada 3.5V seviyesindedir. Bataryalarda hücre geriliminini yüksek olması istenen bir şeydir. Hücreler birbirine seri bağlanarak istenen gerilim değeri elde edilebilir.
Spesifik Enerji
Spesifik enerji, pil kütlesinin her kilogramı için depolanan enerji miktarıdır. Birimi Wh.kg-1‘dir.
Spesifik Güç
Spesifik güç, pilin her kilogramından elde edilen güç miktarıdır. Birimi W.kg-1 ‘dir. Bazı bataryalar yüksek spesifik enerjiye ancak düşük spesifik güce sahip olabilir. Bu, bataryanın çok enerji depolayacağını ancak bu enerjiyi yavaşça verebileceği anlamına gelir. Yani özetle spesifik enerji miktarı temsil ederken, spesifik güç ise hızı temsil etmektedir.
Enerji Yoğunluğu
Enerji yoğunluğu, pil hacminin her metreküpü için depolanan elektrik enerjisi miktarıdır. Birimi Wh.L-1 ’dir.
Kendi Kendine Boşalım Oranı (Self-Discharge)
Bataryalar kullanılmadan bırakıldığında boşalır ve bu kendi kendine boşalım olarak bilinir. Bu oran pil tipi ve sıcaklık gibi diğer faktörlerle değişir. Sıcaklık yükseldikçe bataryadaki kendi kendine boşalım oranı artar.
Hafıza Etkisi (Memory Effect)
Nikel temelli bataryalarda karşılaşılan bir sorundur. Nikel temelli bataryalar, şarj edilmeden önce tam olarak deşarj edilmelidir. Eğer batarya, tam deşarj edilmeden yeniden şarj edilirse zamanla bataryanın yapısı bozulacaktır. Bu durum sürekli tekrarlanırsa bataryanın dip kısımlarında kristaller oluşur ve bu kısımlar kullanılmaz hale gelir. Dolayısıyla bataryanın kapasite değeri düşer.
Pil Ömrü ve Çevrim Sayısı
Bataryanın belirli bir deşarj seviyesinden sonra tam şarj edilmesine bir çevrim denir. Örneğin; bataryayı %20 durumundan %100 durumuna şarj etmek. Pil parametrelerinde belirtilen kapasite %80’e düşene kadar yapılan şarj-deşarj sayısı, çevrim sayısına eşittir. Bunu bir örnek ile daha iyi anlayabiliriz. Cep telefonlarımız kullanmamızın bataryaları kullanma şeklimize ve ne kadar kullanıldığına bağlı olarak yıpranırlar. Yani telefonun şarjı %100 dolu olarak gözükse bile, batarya yıprandığı için gerçek doluluk oranı %95 olabilir. Gerçek doluluk oranı %80’e düşene kadar yapılan toplam şarj-deşarj sayısı, çevrim sayısına eşittir. Ancak bu sayı pil tipine, pil tasarımının ayrıntılarına ve pilin nasıl kullanıldığına bağlıdır.
Batarya Tipleri
Kurşun Asit Batarya: En iyi bilinen ve içten yanmalı motorlu taşıtlarda en çok kullanılan batarya türüdür. Kurşun asit batarya, küçük sistemlerde yaygın olarak kullanılan yeniden doldurulabilir bir bataryadır. Bunun ana nedenleri; ana bileşenlerinin (kurşun, sülfürik asit, plastik kutu) pahalı olmaması, güvenli bir şekilde çalışması ve hücre geriliminin 2V gibi yüksek bir değer olmasıdır. Benzinli ve dizel taşıtlardaki akü, kurşun asit bataryanın en yaygın kullanım alanıdır. Akü olarak sıvı haldeki kurşun asit batarya (VRLA) kullanılır. Maliyetinin az olması ve kolay üretilebilmesine karşın, yapısında bulunan kurşun doğaya zararlıdır. Bu nedenle yeni üretilen taşıt akülerinde kurşun asit pillerden vazgeçilmeye başlanmıştır.
Lityum İyon Batarya: Lityum iyon batarya, 1990’ların başında tanıtılmıştır ve günümüzde en yaygın olarak kullanılan batarya tipidir. Diğer bataryalara oranla daha hafiftir ve spesifik enerjisi daha yüksektir. Bunlar, elektrikli taşıtlarda ve mobil sistemlerde kullanılmasının en önemli nedenleridir. Hızlı şarj, yüksek çevrim sayısı, yüksek hücre gerilimi gibi avantajlara sahiptir. Ancak şarj devresi diğer bataryalara göre daha karmaşıktır ve aşırı şarj durumunda batarya hücreleri zarar görebilir.
Nikel Kadmiyum Batarya: NiCad batarya, yüksek spesifik güç, yüksek çevrim sayısı (2500 çevrime kadar), geniş çalışma aralığı gibi avantajlara sahiptir. Kurşun asit bataryaya göre iki kat daha fazla spesifik enerjiye sahiptir. Ancak her bir hücrenin sadece 1.2V nominal gerilime sahip olması, 12V’luk bir uygulama için bile 10 adet hücreye ihtiyaç duyulması anlamına gelir. Aynı uygulama kurşun asit batarya ile yapılsaydı, sadece 6 hücre gerekecekti. Nikel kadmiyum batarya da diğer bütün bataryalar gibi çevreye zararlıdır. Ancak içerdiği kadmiyum kanserojendir. Bu nedenle ABD’de kullanımı yasaklanmıştır.
Sodyum Metal Klorid (ZEBRA) Batarya: Çalışma sıcaklığı 300-350 °C olduğundan termal batarya olarak da bilinir. Sodyum temelli bataryaların hepsi çalışmak için yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duyar. Asıl kullanım amacı elektrikli taşıtlar olmasına rağmen, lityum iyon bataryanın yaygınlaşmasıyla birlikte yerini kaybetmiştir. Hücre gerilimi 2.5V gibi yüksek bir değerken, boşalım sırasında bu değer 1.6V değerine kadar düşmektedir. Ancak elektriki taşıtlarda kullanılamamasının asıl nedeni yüksek çalışma sıcaklığıdır. 350 °C’lik sıcaklığı yalıtmak için 2-3 cm kalınlığında çift katmanlı çelik kutu kullanılır. Bu da günümüz taşıtları için büyük bir yük olacak ve taşıt menzilini azaltacaktır.
