Elektronik Malzeme

Piller (2) En İyi Pil Hangisidir?

Piller konusunda fazla bilgili olmayanlar durmadan kağıt inceliğinde olan, yüksek akım verebilen ve en az (1.000) defa şarj olabilen pillerden bahsederler. Bu söylediklerinde haklılık payı var diyebiliriz ama bu özelliklerin hepsi değişik pil guruplarının ayrı ayrı özellikleri. Bir pil ya da pil gurubu içinde bütün bu özelliklerin hepsini verebileni ise henüz piyasada yok. Bir pilin tasarımı ile ona ince görünüm ve yüksek akım gücü verilmiş olabilir ama buna karşılık şarj edilebilme sayısı düşük olacaktır. Başka bir pil uzun süre enerji sağlayabilmek için tasarlanmıştır ama ebat olarak büyük ve hantaldır.

Üçüncü örnekte ise pil özel bir kullanım için yüksek akım üretebilecek, çok ince ve uzun zaman dayanabilecek şekilde tasarlanmıştır, fakat bu da normal bir kullanıcının alım gücünün çok üzerinde bir fiyat etiketine sahiptir.

En son örnek ise lityum kökenli piller, çok yüksek enerjiyi çok uzun bir süre sağlamak için çok küçük ölçeklerde üretilebilirler, ama bu kez de elde edilen pil lityumun dengesiz yapısından dolayı (patlayan telefon ve dizüstü bilgisayar pillerini hatırlayın) kullanıcı için tehlikeli olacaktır. Bütün bu isteklerin farkında olan pil üreticileri artık müşterilerinin gererksinimlerine uygun çözümler üretmeye çalışıyorlar. Örnek olarak cep telefonlarında kullanılan pilleri gösterebiliriz. Burada çok küçük boyutlarda ama uzun süre dayanabilen ve yüksek güç üreten bir pil gereksinimi için uzun ömürden özveri yapılarak sonuca gidilmiştir. Uzun ömürden özveri yapılabilinmesinin nedeni ise hiç bir telefonunun içindeki pilin ömrü bitene kadar kullanılmayacak olması, çünkü günümüzde kullanıcıların çoğunluğu ortalama olarak her yıl telefonlarını değiştiriyor. Altta bugün çok kullanılan pil tiplerinin artı ve eksilerini sıralayacağız. Her ne kadar güç yoğunluğu en önemli etken olsa da, pil ömrü, yük altındaki nitelikleri, bakım gereksinimi, kendi kendine boşalma ve güvenlik yok sayılmaması gereken diğer önemli nitelikleridir.

Küçük boyutta olup tekrar doldurulabilme yeteneği olarak ilk olan Nikel-kadmiyum piller diğer tiplerle olan karşılaştırmada temel olarak alıyoruz. Uzun zaman tek olduğu için rakipsiz yarışan nikel-kadmiyum pillerin yerine artık günümüzde eğilim lityum temelli pillere yönelmektedir.

Nikel-kadmiyum – Oturmuş teknoloji ama güç yoğunluğu zayıf. Yüksek sayıda şarj edilebilme, yüksek akım değeri ve geniş bir ısı yelpazesinde çalışma özellikleri istendiğinde aranan tip. En çok kullanıldığı alanlar ise mobil telsizler, elektrikli aletler ve tıbbi cihazlar. Nikel-kadmiyum bileşiminde zehirli maddeler içerir.

Nikel-metal-hidrit – Nikel-kadmiyum ile kıyaslandığında daha çok enerji yoğunluğu olmasına rağmen şarj edilebilme sayısı çok daha düşüktür. Bileşimi zehirli madde içermez. Kullanıldığı yerler ise cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlardır. NiMH piller lityum bazlı piller için başlangıç noktasıdır.

Kurşun-asit – Pil büyüklüğü ve ağırlığının önemli olmadığı ortamlar için en ekonomik çözüm. En çok tıbbi cihazlar, engellilerin kullandığı motorlu sandalyeler, acil durum aydınlatma ışıldakları ve kesintisiz güç kaynaklarda diğer güç kaynaklarına karşın tercih edilir. Ekonomik olması, özellikleri ve kullanım kolaylığı yüzünden diğer piller ile kıyaslanamayacak bir konuma sahip olan kurşun-asit pillerin yerini başka pil sistemlerinin alması yakın gelecek içinde olası görülmüyor.

Lityum-iyon – Günümüzün en hızlı gelişen pil teknolojisi olan lityum-iyon piller küçük boyutlara sahip olmaları yanında bu boyutlarda yüksek enerji üretebilmekteler. Daha önce de konu ettiğimiz lityum dengesizliğinin yol açtığı güvenlik sorunları nedeni ile bu pillerin içine şarj sırasında akım, gerilim ve ısıyı kontrol eden devreler bulunmaktadır. En yoğun kullanım alanları diz üstü bilgisayarlar ve cep telefonlarıdır. Yüksek akım verebilen modellerine ise tıbbi cihazlar ve pille çalışan el aletlerinde rastlanabilinmektedir.

Alttaki tabloda bugün kullanılmakta olan bütün pil tiplerinin özelliklerini bulacaksınız. Verilen değerler bugünkü teknoloji ile erişilen en etkin değerlerin ortalamasıdır. Lityum-iyon piller ise üç guruba ayrılmıştır; cep telefonları, kameralar ve diz üstü bilgisayarlarda kullanılan kobalt bileşimli, güçlü piller gerektiren el aletlerinde kullanılan manganez bileşimli, ve son olarak ta manganez bileşimlilerle başa baş yarışan fosfat bileşimliler. Lityum-iyon polimer piller ise kobalt bileşimli lityum-iyon piller ile benzeştikleri için ayrı bir gurupta göstermiyoruz.

Nikel-kadmiyum Nikel-metal-hidrit Kurşun-asit Lityum-iyon kobalt Lityum-iyon manganez Lityum-iyon fosfat
Enerji yoğunluğu (Wh/kg) 45-80 60-120 30-50 150-190 100-135 90-120
İç direnç MΩ 100-2006V’luk dizi 200-3006V’luk dizi <100112V’luk dizi 150-3001dizi 25-752hücre başına 25-502hücre başına
Şarj edilebilme sayısı(ilk kez şarj edildiği gücün %80’e kadar) 15002 300-5003-4 200-3003 300-5003 300-5002 den iyi >1000 laboratuar şartlarında
Hızlı şarj süresi tipik 1 saat 2-4 saat 8-16 saat 1,5-3 saat 1 saat veya daha az 1 saat veya daha az
Aşırı şarja dayanıklılığı orta az yüksek Düşük dengeleme şarjına dayanıksız Düşük dengeleme şarjına dayanıksız Düşük dengeleme şarjına dayanıksız
Kendi kendine deşarj/ay (oda sıcaklığında) 20%5 30%5 5%5 10%5 10%5 10%5
Hücre gerilimi 1,25V7 1,25V7 2V 3,6V3,7V 3,6V3,8V8 3,3V
Yük akımı
(K=kapasite)
20K en fazla
1K ortalama
5K
0.5K
5K9
0.2K
<3K
1K
>30K
10K
>30C10C
Çalışma ısısı10(Deşarj sırasında) -40 +60
°C
-20 +60
°C
-20 +60
°C
-20 +60
°C
-20 +60
°C
-20 +60°C
Bakım gerekliliği 30-60 gün 30-60 gün 3-6 ay11 gereksiz gereksiz gereksiz
Güvenlilik Isıl olarak kararlı, sigorta kullanılması tavsiye edilir Isıl olarak kararlı, sigorta kullanılması tavsiye edilir Isıl olarak kararlı Koruma devresi gerekir, 150°C kadar ısıl kararlılık Koruma devresi gerekir, 250°C kadar ısıl kararlılık Koruma devresi gerekir, 250 kadar ısıl kararlılık
Ticari olarak kullanımı 1950 den beri 1990 den beri 1970 den beri 1991 den beri 1996 den beri 2006 den beri
Zehirliliği Yüksek derecede zehirli, çevreye zararlı Az derecede zehirli, geri dönüşüm ile yok edilmeli Zehirli kurşun ve asit içerir, çevreye zararlı Az derecede zehirli, küçük miktarlarda çöpe atılabilir Az derecede zehirli, küçük miktarlarda çöpe atılabilir Az derecede zehirli, küçük miktarlarda çöpe atılabilir

Tablo 1:Günümüzde kullanılan pilleri nitelik ve özellikleri

Notlar:

1. Her pil gurubunun iç direnci pil hücrelerinin sayısı, mA verimi ve bağlantı şekli ile orantılıdır. Lityum-iyon pillerin koruma devreleri yaklaşık 100mW’lık bir yük oluşturur.

2. 18650 tipi hücrenin değeri. Hücre tipi ve tasarımı pillerde iç direnci etkileyebilir. Büyük hücre tiplerinde iç direnç 15MΩ’u geçebilir,

3. Şarj etme sayısı pilin bakımının düzenli yapılmasına bağlıdır.  Belirli aralıklarla pillerin bakım sırasında tam olarak deşarj edilmemesi pillerin ömrünü üçte bire indirebilir.

4. Şarj edilebilme sayısı uygulanan deşarjın yoğunluğuna bağlıdır. Düşük oranlı deşarjlar şarj edilebilme sayısını arttırabilir.

5. Kendi kendine deşarj olma etkisi kendini en yüksek olarak hemen şarjın ardından gösterir, ve sonra azalır. Nikel-kadmiyum’larda güç kaybı şarjdan sonraki ilk 24 saat içinde 10% dur. Sonra bu kayıp her 30 gün için 10%’a iner. Yüksek ısı kendi kendine deşarjı arttıran bir etkendir.

6. İç koruma devreleri ayda yaklaşık olarak pil gücünün 3%’ünü kullanırlar.

7. Pillerde ortalama gerilim çıkışı 1.25V’tur; 1.2V ise Lityum pillerle uyumluluk sağlamak için kullanılır (3 tane seri = 3.6V).

8. Lityum-iyon piller çoğunlukla ortalama gerilim olarak kabul edilen 3.6V’un üzerinde gerilim üretirler. Verilen değer yük altında alınan ortalama gerilimdir.

9. Kısa süreli yüksek akım darbeleri üretebilir. Ama karşılığında kendini toparlayabilmesi için her darbeden sonra zamana gerek duyarlar.

10. Sadece deşarj için geçerli veri, şarj ısısı daha sınırlıdır. Düşük ısılarda düşük güç verimliliği vardır.

11. Sülfatlanma etkisini önlemek için ya “eşitleme” ya da “ekleme” yöntemi ile bakım şarjı yapılabilir.

Gelecek yazılarda her pilin kuvvetli ve de zayıf noktalarını daha detaylı konu edeceğiz. Aynı zamanda bütün bu pillerin şarj edilme tekniklerini ve daha fazla verim elde edebilme yollarını irdeleyeceğiz.

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

Etiketler

İlgili Makaleler

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu
Kapalı
Kapalı