Pil nedir; nasıl çalışır?

Pil nedir; nasıl ortaya çıktı? Taşınabilir cihazlarda kullanılan lityum iyon piller nasıl çalışıyor?

Salı, 03 Şubat 2015 - 01:30

Pil nedir; nasıl çalışır?

Akıllı telefonlardan dizüstü bilgisayarlara, modern piller sıkça kullandığımız teknolojilerin en önemli parçaları arasında. Özellikle yeni telefonlarımızın her gün şarja ihtiyaç duyması nedeniyle pilleri unutmamız mümkün değil. Peki bu kadar sık kullandığınız bir teknoloji hakkında ne kadar bilginiz var?

Piller ve onlara nasıl davranmanız gerektiği konusundaki bilgilerinizi genişletmenin zamanı geldi.

Piller nasıl ortaya çıktı?

İşlevsel ilk elektromanyetik pilin ortaya çıkışı, 1800 yılına dayanıyor. Alessandro Volta'nın ürettiği ilk pil, tuzlu suya batırılmış kağıt disklerin ayırdığı bakır ve çinko levhalardan oluşuyordu. Bu kağıt diskler, bir süre için kararlı bir elektrik akımı üretebiliyorlardı. Voltaik pil olarak adlandırılan bu pil, peşinden gelecek pil denemelerinin öncüsü olacaktı.


Pil tasarımı 1836 yılında John Frederick Daniell tarafından standart haline getirildi. Sülfürik asit ve çinko elekrotla doldurulmuş, seramik konteynere batırılmış, bakır sülfat çözümüyle dolu bakır kap, genel-geçer pil standardı halini aldı ve sayısız elektrikli telgraf ağında kullanıldı.

1979'da ise Oxford Üniversitesi'nden Koichi Mizushima ve John Goodenough, pozitif elektrot için lityum kobalt oksit, negatif elektrot için lityum metali kullanan şarj edilebilen pili gösterdi. Böylece lityum hücrelerin öncüsü ortaya çıkmış oldu. Pilin ticari hale gelmesi, yıllar sonra 1991'de Sony ve Asashi Kasei tarafından gerçekleştirildi.


Modern pilin tanımı

Modern pilin tanımı

Taşınabilir cihazlarımıza elektrik akımı sağlayan elektrokimyasal hücrelere modern pil adını veriyoruz. Piller, şu iki kategoriye ayrılırlar: Tek kullanımlık piller ve şarj olabilen piller.

Tek kullanımlık pillerin elektrotları kullanım sırasında geri döndürülemeyecek biçimde değişikliğe uğradığından, onları şarj etmek mümkün olmaz. Şarj edilebilen pillerin elektrotları ise ters akım ile tekrar yüklü hale getirilebilir.

Modern taşınabilir elektronik cihazların çoğu, lityum tabanlı pilleri kullanmaktadır. Bunlar arasında en çok rastlanan pil türü, lityum iyon (Li-ion) pillerdir. Zaman zaman lityum polimer (Li-Po) pillere de rastlayabilirsiniz - bu pillerin enerji yoğunluğu daha azdır ve üretilmesi daha maliyetlidir.


Li-Po piller, hafiflikleri, esnek tasarımları, düşük ve yüksek sıcaklıklarda daha iyi çalışabilmeleri sayesinde popülerliklerini hala korumaktadırlar. Li-ion piller genellikle ilk elektrot olarak lityum kobalt oksit (LiCoO2) ve ikinci elektrot olarak grafit ve elektrolit olarak bir organik çözücüden oluşurlar. Bu bileşimin kullanılmasının nedeni, yüksek enerji yoğunluğu ve pilin kullanımda olmadığı sırada enerjiyi daha yavaş kaybetmesidir.

Lityum tabanlı tüm piller, bir Basınç Sıcaklık Katsayısı'na sahiptir. Bu, pilin uç noktalarda veya aşırı kullanımda devre dışı kalmasını sağlayan bir mekanizmadır. Bu işlev devreye girdiğinde şarj/deşarj işlemini mümkün kılan kimyasal bileşimlere genellikle kalıcı olarak hasar verilir.


Şarj süreci

Şarj süreci

Yüksek güç yoğunluğu ve tekrar şarj edilebilme yetenekleri, taşınabilir teknolojilerde lityum tabanlı pilleri tercih sebebi haline getirdi.

Şarj işlemi sırasında lityum iyonlar, elektrolit içerisinden geçerek pozitif lityum kobalt oksit elektrot üzerinden negatif grafit elektrota ulaşırlar. Deşarj veya kullanım sırasındaysa iyonlar, elektrolit üzerinden geriye doğru, negatiften pozitife doğru akarlar. Bu işlem, AA pillerdeki 1,5 voltluk akıma göre daha yüksek bir voltajda, 3,7 voltta gerçekleşir. Lityum tabanlı pillerin tüketici elektroniklerinde sıkça kullanılmasının nedenlerinden biri de budur.

Lityum tabanlı piller, laptop gibi daha büyük cihazlarda da kullanılır. Bu tür cihazların pilleri, birden fazla lityum iyon hücresinden ve aşağıdaki ek bileşenlerden oluşur:

- Sıcaklık sensörü: Hücrelerin güvenliğini ve kalıcılığını sağlamak için ısıyı takip eder.

- Voltaj düzenleyici: Paketin içindeki her hücrenin çıkış voltajını düzenleyen sensör ve devre.

- Pil şarj durumu: Şu anki şarj durumu (yüzde 59 gibi) hakkında işletim sistemini bilgilendiren sensör.

- Konektör: Pili laptop'la bağlayan bağlantı noktası. Markaya göre değişiklik gösterir.


Pil bakımı ve ısı

Pil bakımı

Lityum iyon pillerin çoğunda bulunan pozitif elektrot LiCoO2, hasar gördüğünde tehlikeli bir hal alır. Diğer pillerin aksine yanıcı, basınçlı bileşenler, istenmeyen sonuçlar doğurabilir. Lityum iyon piller, bu sorunu çözmek için bir dizi güvenlik testine tabi tutulurlar.

Isı

Lityum iyon pillerin aşırı ısındıklarında alev alabildiklerine rastlanmıştır. Isı altında ve beklenmedik basınç veya kısa devreye maruz kalan piller, "patlayabilir". Bu durumda pil, kullanılmaz hale geldiği gibi, içerisinde bulunduğu taşınabilir cihaza da hasar verebilir. Lityum iyon pillerin içerisinde her hücreyi diğerinden ayıran bir ayırıcı bulunmaktadır. Bu ayırıcı, şarj ve deşarj süreçlerinde pozitif ve negatif elektrotları ayrı tutar. Ayırıcının hasar görmesi veya delinmesi, elektrotların temas etme olasılığını ortaya çıkarır. Bu durumda pil hızla ısınarak patlayabilir.

Piller, bu tür durumları engellemek üzere havalandırma mekanizmalarına sahiptirler, ancak kimyasal bileşimin doğası gereği patlama olasılığı tamamen ortadan kalkmaz.


Deşarj, yaşlanma süreci, Li-Air (Lityum hava) pil

Deşarj

Lityum iyon piller, "tam" deşarj olmaktansa, kısmen deşarj olmayı tercih ederler. "Şarj belleği" adı verilen etkiye sahip olmadıklarından, kısmi deşarj pilin gelecekteki performansını etkilemeyecektir. Bununla birlikte pili "tamamen" bitirmek, lityum tabanlı pilin voltajının düşmesine neden olabilir. Bu durumda pil, kalıcı olarak hasar görebilir.

Yaşlanma süreci

Lityum tabanlı piller, şarj/deşarj döngülerinin sayısına bağlı olarak 2 - 4 yıl ömre sahiptirler. Pilinizi kaç kere şarj ettiğinizi saymanıza gerek yok. Zira yeni bir pili hiç kullanmadan saklasanız bile, pil ömrü yine 2 - 4 yılı geçmeyecektir.

Yeni bir taşınabilir ürün satın alırken, pilinin ne kadar beklediğini kontrol etmenizde fayda var. Bir sene depoda bekleyen bir pilin, tahmin edeceğiniz üzere ömründen bir sene gitmiştir.


Li-Air (Lityum hava)

Lityum pillerin bir sonraki nesli, lityum hava kimyasallarından oluşacak. BU piller, çok yüksek güç yoğunluğu sunarken, çok hafif tasarımları da mümkün kılıyor. Li-Air piller, akımı teşvik etmek için oksijenden faydalanıyorlar ve bu sayede daha yüksek güç yoğunluğu elde edebiliyorlar. Ancak ne yazık ki Li-Air'in ticari hale gelebilmesi için birkaç önemli alandaki araştırmanın tamamlanması gerekiyor.

Resimlerle: 11 popüler cebe "1 saatlik şarj" testi!

Kaynak: CHIP Online