Piller (3) Nikel Bileşimli Piller, Bugünü ve Geleceği

 Mehmet Nuri ŞENOCAK, TA/N4MNS
 17 Haziran 2010

Bu bölümde nikel bileşimli pillerden başlayarak değişik yapılardaki pillerin güçlü ve zayıf oldukları noktaları irdeleyeceğiz. Her pil gurubunun kimyasal yapısından dolayı bazı üstünlükleri olsa da şu an için hiç bir gurup tek başına biz kullanıcıların aradıkları özelliklerin hepsini bir başına sağlayamamakta. Her gün artan pil çeşitleri ile doğru bir seçim yapabilmek için yalnızca pil guruplarının niteliklerini bilmek yeterli değil. Bunun yanında her gurubun güçlü ve zayıf olduğu yanlarını bilmek ve ondan sonra kullanılacağı yerdeki aranan özellikler ile en uygun şekilde örtüşen gurubu seçmek en doğru çözüm.

Ama ben sizi yine bu noktada her gereksinime cevap verebilen sihirli bir pil olmadığı konusunda tekrar uyarayım. Benzerliklerinden dolayı bu bölümde nikel-kadmiyum ve nikel-metal hidrit pilleri beraber inceleyeceğiz.

Nikel-Kadmiyum pil

Nikel-kadmiyum pil 1899’da İsveçli Waldmar Jungner tarafından bulundu. O dönemdeki fiyatlarla nikel-kadmiyum pili yapmak için gerekli olan metal ve kimyasallar diğer pil tiplerinde kullanılanlar ile karşılaştırıldığında kat kat pahallı olduğu için kullanımı çok özel ve mutlaka gereksinim duyulan alanlar ile sınırlı kaldı. 1932’de pilde kullanılan aktif maddeler nikel kaplı gözenekli elektrotlar içine depolanabilindi ve 1947’de sızdırmaz kaplar içinde nikel-kadmiyum pil üretmek için araştırmalar tekrar başladı.

Dışarı bırakmak yerine şarj sırasında kimyasal reaksiyon nedeni ile pilin içinde üretilen gazlar yeniden kullanılan eriyik içinde çözümleniyordu. Bu gelişmelerin neticesinde bugün hala kullandığımız sızdırmayan muhafazalar içindeki nikel-kadmiyum ortaya çıktı.Nikel-kadmiyum piller şarj edilirken hızlı şarjı yavaş şarja, darbeli akımla şarjı düz akımla tercih ederler. Yapı olarak güçlü ve her ortama uyumlu ve en ağır çalışma şartlarına dayanıklı pillerdir. Gerçekte nikel-kadmiyum piller gurubu, en kötüsü de dahil, her türlü ortam ve koşul altında çalışabilen tek pil gurubudur.  Bütün diğer pil gurupları daha az yük akımı ve yavaş deşarj altında çalışmayı tercih ederler.Nikel-kadmiyum devamlı şarjda tutulup uzun zaman aralıklarında kısa süreçler için kullanılmaktan da hoşlanmaz. Eğer devamlı kullanılıp tam deşarj ve ardından şarj edilmiyorsa belirli aralıklarla tam olarak deşarj edilmesi gerekir, aksi halde hücrelerdeki plakalar üzerinde kristalleşme oluşur (buna aynı zamanda hafıza etkisi de denir) ve bunun sonucu olarak ta zamanla pilin verimi düşmeye başlar.Bugün piyasada bulunan o kadar çok pil gurubuna karşılık nikel-kadmiyum piller hala el telsizleri, tıbbi cihazlar ve pille çalışan el aletlerinde en yaygın ve tercih edilen kullanıma sahiptir. Günümüzde daha çok enerji tutabilen ve daha az zehirli madde içeren pil guruplarına doğru bir eğilim varsa da bu gurupların hiç biri nikel-kadmiyum pillerin dayanıklılığı ve ucuzluğu ile boy ölçüşemiyor.Gelelim nikel-kadmiyum pillerin üstün ve zayıf noktalarına;

Üstünlükleri :

  • Hızlı ve basit donanım ile şarj edilebilir.
  • Uzun bir süre kullanılmadan saklanmasından sonra bile normal şartlar altında şarj edilebilir.
  • Yüksek şarj-deşarj döngü sayısı – doğru bakım yapıldığında 1000 defanın üzerinde deşarj ve şarj edilebilir.
  • Üstün yük verimi – nikel-kadmiyum çok düşük ısı ortamlarında da tekrar şarj edilebilinir.
  • Uzun süre saklanabilme – 5 yıla kadar kullanım öncesi saklanabilir. İlk kullanımından önce bir hazırlık şarjı yapılması gerekir, ki bu çoğunlukla %20-%30 daha uzun zaman şarj altında tutulması demektir.
  • Özel şartlar gerektirmeyen saklama ve nakil ortamı – diğer gurupların aksine çoğu havayolları nikel-kadmiyum pilleri taşımak için özel kaplar ve paketleme kullanılmasını gerekli kılmaz.
  • Düşük ısıl ortamlarda iyi randıman gösterir.
  • Kötü ve hor kullanmaya dayanıklıdır – nikel-kadmiyum bilinen pil gurupları içinde her şarta karşı en dayanıklı olanıdır.
  • Ekonomiktir – bütün pil gurupları içinde şarj başına düşen maliyet olarak nikel-kadmiyum en ucuz olanıdır.
  • Çok geniş bir boyut ve verim yelpazesine sahiptir – ama çoğunlukla piyasada silindir tipleri bulunur, ama özel üretimde her şekilde imal edilebilir.

Zayıf noktaları:

  • Diğerlerine göre daha düşük enerji yoğunluğu.
  • Hafıza etkisi – nikel-kadmiyumda hafıza etkisinin (kristalleşme) önüne geçebilmek için belirli aralıklarla deşarj ve ardından şarj edilmesi gereklidir.
  • Çevreye zararlı – nikel-kadmiyum piller zehirli maddeler içerir. Bu yüzden bazı ülkelerde kullanımı kısıtlamalara tabidir.
  • Boşta iken diğerlerine nazaran daha hızlı boşalma – saklanma veya depolanma sırasında kendi kendine daha hızlı boşaldığı için kullanıma başlamadan önce şarj gerektirir.

Nikel-metal-hidrit piller:

Nikel-metal-hidrit pil sistemlerinin araştırması 1970’lerde aslında nikel hidrojen piller üzerinde çalışılırken  hidrojen depolama yöntemi olarak başladı. Bugün hala üretilen nikel hidrojen piller uzay uygulamalarındaki kullanım ile sınırlı. Hem hantal hem de yüksek basınç altında çalıştıkları için kalın çelik muhafaza gerektiren bu pillerin bir hücresinin fiyatı binlerce doları geçiyor.

Nikel-metal hidrit araştırmalarının ilk günlerinde kullanılan metal hidrit alaşımlarını hücre ortamlarında dengesizlik gösterdiği için istenen verimliğe bir türlü ulaşılamıyordu. Bu yüzden zamanla alaşıma gösterilen ilgi azaldı ve araştırmalar durma noktasına geldi. Ama 1980’lerde pillerde, hücre ortamlarında daha kararlı ve güvenilir yeni hidrit alaşımları ortaya çıktı. Ve bu yeni alaşımların katkısı ile nikel-metal hidrit piller gün geçtikçe gelişmeye başladılar.

Nikel-metal hidrit piller bugünkü başarılarını sağladıkları yüksek enerji yoğunluğuna ve içlerinde çevre kirletmeyen bileşim ve metaller kullanılmasına borçlular. Günümüz nikel-metal hidrit pili normal bir nikel-kadmiyum pille karşılaştırıldığında 40% daha fazla enerji yoğunluğuna sahiptir. Aslında bileşimleri göz önüne alındığında daha da yüksek verim elde edilinebilinir ama bu kazanç ne yazıkki bazı yan etkileri de ortaya çıkardığı için tercih edilmemektedir.

Öte yandan nikel-kadmiyum ile karşılaştırıldığında nikel-metal hidrit piller daha dayanıksızdırlar. Yüksek ısı ve ağır yük altında çalıştırılıp şarj edildiklerinde ömürleri kısalır. Ayrıca yine nikel-kadmiyum ile karşılaştırıldığında nikel-metal hidrit piller boşta iken kendi kendilerine daha hızlı deşarj olurlar.

Nikel-metal hidrit piller günümüzde telsiz iletişim ve taşınabilir bilgisayarlarda nikel-kadmiyum pillerin yerini almıştır. Uzmanlar nikel-metal hidrit pillerin piyasaya ilk çıktığından günümüze kadar geçen zaman içinde çok geliştikleri konusunda hemfikir olsalar bile hala aşılamamış bazı sınırlar olduğu bir gerçek. Türün bir çok eksikliği ise nikel kökenli teknoloji ile bağıntılı olduğu için nikel-metal hidrit piller ile nikel-kadmiyum aynı sorunları paylaşırlar. Öte yandan nikel-metal hidrit pillerin liyum kökenli pillere geçişte  atlama tahtası olduğu da bir gerçek olarak kabul görür.

Gelelim nikel-metal hidrit pillerin üstün ve zayıf noktalarına;

Üstünlükleri:

  • Nikel-kadmiyum pillerden 30-40% daha fazla kapasite. Bunun yanında bu değerlerin çok daha üstünde bir enerji yoğunluğuna erişilebilineceği de öngörülüyor.
  • Hafıza etkisine nikel-kadmiyum pillerden daha az eğilimli – daha az sayıda periyodik deşarj-şarj döngüsü gerektiriyor.
  • Basit saklama ve nakil ortamı – nikel-metal hidrit pillerin taşınması her hangi bir kural ya da kısıtlamaya tabi değildir.
  • Çevre dostu – çok hafif zehirli madde içerir; geri dönüşümü kolay ve etkendir.

Zayıf noktaları:

  • Kısa ömür – kullanımda sonuna kadar deşarj edildiğinde 200-300 şarj-deşarj döngüsünden sonra verimlilik kaybı.
  • Oldukça kısa, 3 yıl, raf ömrü – soğuk ortamlar ve kısmi şarjlar bu süreyi uzatıp verim kaybını yavaşlatabilir.
  • Sınırlı deşarj akımı – nikel-metal hidrit piller yüksek akım çıkışı verebiliyor olsalar bile, bu tip yüklenmeler pilin ömrünü kısaltır.
  • Daha karmaşık şarj tekniği – nikel-metal-hidrit piller şarj olurken daha yüksek ısı üretir ve  nikel-kadmiyum pillerden daha fazla zaman gerektirir. Damlalı (trickle) şarj ayarları nikel-metal hidrit piller yüksek akım altında şarja dayanıklı olmadıkları için önemlidir.
  • Kendi kendine hızlı deşarj – boşta iken nikel-kadmiyum pillerden ortalama 50% oranında daha hızlı deşarj olurlar.
  • Yüksek ısılarda saklandıklarında verimlilik kaybına uğrarlar – nikel-metal hidrit piller soğuk bir ortamda 40% şarjlı olarak saklanmalıdırlar.
  • Yüksek bakım – kristalleşmeyi önlemek için nikel-metal hidrit piller de belirli süreler içinde tam deşarj edilmelidir. nikel-kadmiyum pillerde bu süre ayda bir, nikel-metal hidrit pillerde ise 3 ayda birdir.

Kaynak:
Isidor Buchmann, Cadex Electronics Inc., Vancouver BC., yönetim kurulu başkanı.

 

Yazı hakkında görüşlerinizi belirtmek istermisiniz?