Piller…

Piller bize  bir mobil güç kaynağı sağlar. Birçok farklı tipte piller olsa da, çalıştıkları temel kavram aynı kalır. Bir cihaz bir bataryaya bağlandığında, elektrik enerjisi üreten bir reaksiyon meydana gelir. Bu bir elektrokimyasal reaksiyondur. İtalyan fizikçi  Alessandro Volta(1745-1827) , bu süreci 1799 yılında metal plakalardan ve asite batırılmış karton veya kağıttan basit bir pil oluşturduğunda ilk kez keşfetti. O zamandan beri, bilim adamları Volta’nın orijinal tasarımında çok sayıda boyutta bulunan çeşitli malzemelerden üretilen piller oluşturmak için büyük ölçüde geliştirdiler.

Bugün, piller bir çok alanda etrafımızdalar.

TARİHÇE:

Her şey İtalyan fizikçi Luigi Galvani (1737-1798) nin hayvan lar üzerinde yaptığı deneyle başladı. Galvani, kurbağanın bacağındaki sinirlere bir bakır tel, kasa ise demir tel takıldığında kasın gerildiğini gördü.  Alessandro Volta (1745-1827) bu deneyi,  ıslak bez ve tuzlu su kullanarak gerçekleştirdiğinde elektrik akışı olduğunu gördü.  Bu akışa neden olan şeyin iki elektrot arasındaki potansiyel fark olduğunu keşfetti.

(Aslında Bağdat yakınlarındaki bulgular, M.Ö.200 yıllarından kalma kavanoz şekilli kapların içerisinde bakır çubuk bulunması bazı bilim adamlarına göre kavanoz (ya da her neyse )ların  içerisine sirke ya da şarap konularak bunun pil olarak kullanıldığını gösterir.1938 yılında arkeolog Wilhlelm König bunu kazılarında bulmuştu)

Volta, 1799 yılında çinko, aside batırılmış mukavva (veya bez) ve gümüş gibi katmanları sıralayarak ilk aküyü yarattı. Voltaik bir yığın olarak adlandırılan bu düzenleme, elektrik üreten ilk cihaz değildi, ancak sabit ve kalıcı bir akım üreten ilk kişi oldu. Volta’nın icadının dezavantajları yok değildi. Katmanların istiflenebileceği yükseklik sınırlıydı, çünkü metallerin ağırlığı fazla oluyordu ve bu ağurlık aradaki mukavvaya fazla basınç uyguluyordu.. Ayrıca metal diskler korozyona uğruyor ve pilin ömrünü kısıtlıyordu. Bu eksikliklere rağmen, elektromotor kuvvetin(emk) SI (Uluslararası Birim Sistemi’ne göre) birimi artık Volta’nın başarısının onuruna “bir volt” olarak adlandırılıyor.

1836 yılında İngiliz kimyacı John Frederick Daniell(1790-1845), Daniell pilini icat etti. Pilde, bir cam kavanozun tabanına bir bakır plaka konuldu ve üzerine bakır sülfat çözeltisi döküldü. Daha sonra çinko levha kavanoza asıldı ve bir çinko sülfat çözeltisi eklendi. Bakır sülfat, çinko sülfattan daha yoğun olduğu için, çinko çözeltisi, bakır çözeltinin üstünde kaldı ve çinko plakayı çevreledi. Çinko plakasına bağlanan tel, negatif terminali temsil ederken bakır plakaya bağlanan, pozitif terminali gösterir.Açıkçası, oldukça kaba olan bu yapı ancak sabit uygulamalar için iyi çalıştı.

 

PİLLERİN YAPISI:

Herhangi bir pile bakınca iki ucun olduğu görülür. Bir uç (+) veya pozitif olarak işaretlenirken, diğeri (–) veya negatif olarak işaretlenir. İki uç arasında bir kablo bağlarsanız, elektronlar negatif ucundan mümkün olan en kısa sürede pozitif uca akacaktır(kısa devre!). Bu, pilihızla yıpratacaktır ve tehlikeli de olabilir. Pilin ürettiği elektrik yükünü doğru bir şekilde çekmek için, bir YÜK’e bağlamanız gerekir. Bu yük direnci olan bir tüketeç olmalıdır.(lamba, ısıtıcı, radyo, bilgisayar, vb. elektrik enerjisini tüketmelidir)

Pozitif uca bağlanan bir elektrot (katot) ve negatif uca bağlanan bir elektrot (anot) vardır. Bir ayırıcı(elektrolit), katot ve anot arasında bir bariyer oluşturur ve elektronların serbestçe akmasını sağlarken elektrotların birbirine temas etmesini önler.

Pil Reaksiyonları ve Kimyası:

Bir yük iki terminal arasındaki devreyi tamamladığında, batarya anot, katot ve elektrolit arasında bir dizi kimyasal reaksiyonla elektrik üretir. Anottaki reaksiyon (yükseltgenme) elektronları oluşturur ve katottaki reaksiyon (indirgenme) onları emer. Net ürün elektriktir. Pil, elektrotlardan biri veya her ikisi de reaksiyonların gerçekleşmesi için gerekli olan madde tükenene kadar (korozyon) elektrik üretmeye devam edecektir. Burada bahsedilen elektrolit maddenin iyonlaşması ve bu iyonların (yüklü atomlar/moleküller) yüklerine göre (negatif ise) anota  ya da (positif ise)katota giderek bir yük (elektron) akımı = elektrik akımı) Modern pillerde bu kimyasal tepkimeleri gerçekleştirmek için çeşitli kimyasallar kullanır. Bunlar:

Çinko-karbon pil: Çinko-karbon kimyası ucuz pillerde yaygındır. Günlük hayatta kullanılan pillerin çoğunluğunu oluşturur. Anot çinko, katot mangan dioksittir (MnO2 )ve elektrolit amonyum klorür ( NH4Cl ) veya çinko klorürdür( NH4Cl 2).

Alkalin pil: Bu yapıkuru pillerde yaygındır. Katot bir mangan dioksit karışımından oluşur, anot ise bir çinko tozudur. İsmini alkali bir madde olan potasyum hidroksit (KOH)  elektrolitten alır. Bugün kullandığımız diğerlerine göre bira daha pahalı ama daha kaliteli piller.

Lityum-iyon pil (şarj edilebilir): Lityum(Li) kimyası, cep telefonları, dijital kameralar ve hatta elektrikli arabalar gibi yüksek performanslı cihazlarda sıklıkla kullanılır. Lityum pillerde çeşitli maddeler kullanılır, ancak ortak bir kombinasyon bir lityum kobalt oksit ( LiCoO2)katot ve bir karbon(C) anotdur.

Kurşun-asit batarya (şarj edilebilir): Bu, tipik bir araç aküsüdür. Elektrolitler bir sülfürik asit(H2SO4) çözeltisi iken, elektrotlar genellikle kurşun dioksit (PbO)ve metalik kurşundan yapılır.

Kendimiz de bir volta pili yapabiliriz.

Bunun için ihtiyacımız olan malzemeler: Bakır levha (eski bozuk para), alüminyum levha (folyo), karton levha, asit (elma sirkesi), iletken kablolar ve oluşan gerilimi ölçebileceğimiz bir voltmetre.

 

Alüminyum folyoyu ve karton levhayı bozuk para büyüklüğünde keselim. Karton parçalarını çay tabağı içine konmuş sirkenin içine atalım. Süngerin sirkeyi içine çekmesini sağlayalım.

Sonra sırasıyla bakır levha,sirkeli karton, alüminyum levha, sirkeli karton,… (gofret gibi)şeklinde üst üste koyalım.(bakır parayı zımparalamayı unutmayın, üzerindeki oksitleri temizlemek gerekir)

İletken telin birini bakır paraya, diğerini alüminyum levhaya tutarak uçlarını voltmetreye bağlayalım. Ben sadece iki katman yaptım. Bu şekilde dahi voltmetreden anlık 0, 8 volt değerini ölçtüm. Tabii çok kısa sürede bu gerilim düştü. Ancak sadece iki bakır, iki alüminyum levha kullanarak bile bu sonuca ulaşmak sistemin nasıl çalıştığını görmek için başarıdır.

Ayrıca ilkokulda yaptığımız deneyi de hatırlayalım. Bir ataş teli, bir bakır teli limona bağlayıp elektrik akımı üretmiştik. Burada elektrotları(bakır ve demir) ve elektroliti (limon) görmüştük. Metalleri limona sokmadan önce zımpara veya benzeri bir aletle(maket bıçağı gibi) üzerlerindeki metal oksitleri temizlemeyi unutmayalım. Limonu da kullanmadan önce biraz sıkarak sulandıralım. Metalleri limona batırırken fazla uzak olmamalarına ve birbirlerine değmemelerine dikkat edelim. Voltmetrenin bir ucunu bakır tele, diğer ucunu ataşa bağlayıp voltajı ölçebiliriz.

200 mV’a yakın bir değer. Hiç fena değil.

Şarj edilebilir Piller:

Fransız fizikçi Gaston Plante (1834-1889)’nin kurşun asit hücresini icat ettiği 1859 yılından beridir bilinir. Bir kurşun anodu, bir kurşun dioksit katodu ve bir sülfürik asit elektroliti ile, akü, modern günlük araç aküsünün bir öncüsü olmuştur.

Tekrar şarj edilemeyen piller ve şarj edilebilir piller, aynı şekilde akımı üretir: bir anot, bir katot ve elektrolit içeren bir elektrokimyasal reaksiyon yoluyla. Bununla birlikte, yeniden şarj edilebilir bir bataryada, reaksiyon tersine çevrilebilir. Harici bir güç kaynağından gelen elektrik enerjisi pile uygulandığında, deşarj sırasında ortaya çıkan negatiften pozitife olan elektron akışı tersine çevrilir ve hücrenin şarjı geri yüklenir. Piyasadaki en yaygın şarj edilebilir piller lityum-iyon (LiOn), nikel-metal hidrit (NiMH) ve nikel-kadmiyum (NiCd) pillerdir.

Nikel Kadmium (NiCd) piller ilk yaygın olarak kullanılandı, ancak bellek etkisi olarak bilinen sakıncalı bir soruna sahipti. Temel olarak, bu piller her kullanıldıklarında tamamen boşalmamışlarsa, hızla kapasitelerini kaybederlerdi. Hatırlayın cep telefonlarının ilk kullanıldığı zamanlarda tamamamen bitmeden şarj etmek sakıncalıydı. Bu piller, büyük ölçüde nikel-metal hidrit pillere yerini bıraktı. Bu piller daha yüksek bir kapasiteye sahipti ve bellek etkisinden en az etkileniryorlardı. Bunların da raf ömrü kısaydı. LiOn piller daha uzun ömürlüdür ve daha iyi bir yüke sahiptirler, daha yüksek gerilimlerde çalışırlar ve çok daha küçük ve daha küçük bir yapıya sahiptir. Aslında bu günlerde üretilen tüm yüksek kaliteli portatif teknoloji, bu teknolojiden faydalanmaktadır. Bununla birlikte, LiOn piller şu anda standart boyutlarda (AAA, AA gibi) değildir ve eski pillere göre oldukça pahalıdır.

NiCd ve NiMH piller i şarj etmek zor olabilir. Bunları fazla doldurmamaya dikkat etmelisiniz, çünkü bu kapasitenin azalmasına neden olabilir. Bunun olmasını önlemek için, şarj cihazları şarj tamamlandığında kapanır. NiCd ve NiMH piller de her defasında tamamen boşalmalı ve yeniden şarj edilmelidir. Diğer taraftan, LiOn piller aşırı şarjı önleyen ve hiçbir zaman tamamen boşalmasını gerektirmeyen gelişmiş şarj cihazlarına sahiptir. Şarj edilebilir piller ölmeden önce yüzlerce kez şarj edilebilir. Bittikleri zaman, onları bir  geri dönüşüm tesisinde imha ettiğinizden emin olun. Çünkü yapısında bulunan ağır metaller toprağa karıştığında çok tehlikeli çevre sorunlarına yol açar.

Pillerin Bağlanması:

Standart bir pilde (AA, AAA gibi) 1,5 volt, Li-İon pillerde ise 3,7 volt elde edilir.Bir çok araçta birden fazla pil kullanılır. Akımı artırmak için paralel, voltajı arttırmak için seri bir düzenleme ile gruplandırılır. Aşağıda bağlantı şekilleri gösterilmiştir.Üstteki piller paralel bağlanmıştır.

Üstteki piller paralel bağlanmıştır. Hepsi birlikte tek bir pilin verdiği gerilimi verecek, ama her biri gerekli akımın sadece dörtte birini sağlayacaktır.Pillerin kapasitesi miliamper-saat(mAH) olarak derecelendirilmiştir. 100 mAH kapasiteli bir pil bir saat boyunca 100 mA akım sağlayabilir anlamına gelir. Yukardaki pillerin kapasitesi 1,5 volt 100 mAH saat ise bu şekilde bağlandıklarında (batarya) 1,5 volt, 400 mAH üretecektir. Pillerin paralel bağlanması bu yüzden önemlidir.

Alttaki düzenek seri bağlı pilleri göstermektedir. Burada her bir pili üzerinden tüm bataryadan geçen akım geçecek, ama çıkış gerilimi tüm pillerin toplamı kadar olacaktır. Bu bağlantıda pillerin kapasitesi 1,5 volt, 100 mAH ise bu batarya 6 volt, 100 mAH üretecektir.

 

Bir sonraki çalışmamız Lityum İyon piller üzerine olacak…

 

 

Kaynak: