Pil Çeşitleri ve Özellikleri; hangi pil, hangi uygulama?

Pil, en basit tanımı ile kimyasal bir tepkimeyi elektrik akımına çeviren bir araçtır. Günümüzde oldukça fazla türde pil kullanılıyor. Peki, bunların birbirlerine göre avantajları ya da dezavantajları nelerdir? Hangi uygulamada hangi tür pil kullanımı daha uygundur? Bu yazıda kısaca bu sorulara cevap vermeye çalışacağım.

Bildiğimiz gibi piller öncelikle iki ana grupta toplanır. Tek kullanımlık, yani bitince atılan piller ve şarj edilebilen piller. Pillerin ne kadar çok çeşidi olduğunu göstermek için öncelikle bir liste vereyim (Liste Wikipedia'dan alıntıdır);

• Kullanıldıktan sonra atılan (şarj edilmeyen) piller:
  • Çinko-karbon pil - Düşük maliyetli - az enerji gerektiren uygulamalar için.
  • Çinko-klorid – Çinko–karbon pilden biraz daha uzun ömürlüdür.
  • Alkalin pil - Alkaline/manganez "uzun ömürlü" pillerdir , daha fazla güç ihtiyacı gerektiren uygulamalarda da kullanılabilir.
  • Gümüş-oksit pil – Genelde işitme cihazlarında kullanılır.
  • Lityum (Lithium) pil – Genelde dijital kameralarda kullanılır. Saat ve bilgisayar saatlerinde de kullanıldığı görülür. Çok uzun ömürlüdür, fakat pahalıdır.
  • Civa (Mercury) pil – Genelde dijital saatlerde kullanılır.
  • Çinko-hava pil – Genel olarak işitme cihazlarında kullanılır.
  • Isıl (Termal) pil – Yüksek sıcaklık depolar. Askeri uygulamalarda önem taşır.
• Şarj edilebilen (tekrar kullanılabilen) piller:
  • Kurşun-asit pil – Araçlarda, alarm sistemleri ve kesintisiz güç ihtiyacı olan yerlerde akü olarak kullanılır.
  • Lityum-iyon pil – Oldukça yaygın olan türdür. Yüksek şarj yoğunluğu vardır. Dizüstü bilgisayar, cep telefonları, müzik çalarlar ve daha birçok taşınabilir dijital cihazda kullanılır.
  • Lityum-iyon polimer pil – Lityum iyon pilin temel karakteristiklerini taşır, farkı daha az şarj yoğunluğu olmasıdır. Bu pilin kimyası üreticinin ihtiyacına göre kullanım yeri avantajı yaratabilmesidir. (Örneğin; ultra –ince pil)
  • Sodyum-sülfür (NaS) pil
  • Nikel-demir pil
  • Nikel metal hidrat (Ni-MH) pil
  • Nikel-kadmiyum (NiCd) pil - Li-Ion ve Ni-MH pil tiplerinin tüm uygulamalarında kullanılabilir. Bu pil, oldukça fazla şarj döngüsü sayısına sahiptir (1500 defanın üzerinde). Fakat diğer tiplere göre daha az enerji yoğunluğuna sahiptir. Ni-Cd piller eski teknolojide kullanılmakta olup, hafıza sorunlarına yol açmalarından dolayı yerini modern pillere bırakmaktadır. Ayrıca içerdiği kadmiyum dolayısı ile kullanımı sınırlandırılmaktadır.
  • Sodyum-metal klorid pil
  • Nikel–çinko pil
  • Erimiş tuz pili
  • Yeniden kullanılabilen Alkalin Piller

Yukarıda bahsedilen pil türlerinden en çok kullanılan 6 şarjlı pil türünü aşağıda daha detaylı inceleyeceğim (altı çizili olanlar). En sonda da pil olmayan ama pil gibi kullanılabilen bir bonus komponent var.

Pilleri incelemeye başlamadan önce, bazı kavramları tanımlamak daha faydalı olabilir. Böylece pilleri karşılaştırırken daha donanımlı olabiliriz.

Enerji Yoğunluğu (Energy Density), pilin birim hacimde ne kadar enerji verebileceğini gösterir. Örneğin en ucuz pil olan çinko-karbon pile göre bir alkalin pil 10 kata kadar daha fazla enerji verebilmektedir (ünlü pil firmasının reklamı gibi oldu ama neyse). Aynı büyüklükte olmalarına rağmen (örneğin kalem pil), alkalin pilin enerji yoğunluğu çok daha fazladır.

Şarj Döngüsü Sayısı (Charge/Discharge Cycles), şarj edilebilen bir pilin yaklaşık kaç kez boşaltılıp doldurulabileceğini, yani aslında ömrünü belirler.

Kendi kendine boşalma süresi (self discharge time), pilin kullanılmadığı durumlarda ne kadar bir süre sonra boşalacağını belirtir. Tüm pillerin içinde az ya da çok bir kaçak akım, yani kendi kendine boşalma vardır. Elbette ideal durumda istenilen, bu boşalmanın çok uzun sürmesi ve pilin uzun süre şarjını koruyabilmesidir.

Yukarıdaki özelliklerin tümünün ideal ya da ideale yakın olduğu bir pil türü maalesef henüz yok, ya da şöyle söyleyeyim; satın alınabilecek kadar ucuz değil. Hafif pil yaparsınız, şarj döngü sayısı düşük olur. Çok dayanıklı pil yaparsınız, ağır olur. Enerji yoğunluğu yüksek, hem de dayanıklı pil yaparsınız, o da çok pahalıya mal olur vb. Bu nedenlerle, pil üreticileri de uygulamaya göre üretim yaparlar ve maliyetten kaçınırlar. Örneğin cep telefonları için yüksek enerji yoğunluklu ve küçük piller yaparlar ama pilin ömrü hepimizin çok iyi bildiği gibi 2 seneyi pek geçmez.

En çok kullanılan pil türleri

Günümüzün popüler pil türlerinin avantajlarını ve sınırlarını karşılaştıralım. Piller sadece enerji yoğunluğu açısından değil, kullanım süresi, yük karakteristikleri, kendi kendine boşalmaları ve maliyet gibi pekçok karakteristik ile karşılaştırılabilirler.

Yapılarına göre en çok kullanılan piller şu şekilde;

Nikel Kadmium (NiCd) — Uzun zamandır piyasada olan ve bilinen bir teknoloji. En büyük dezavantajı, düşük enerji yoğunluğu. NiCd piller, uzun ömür, yüksek akım ve fiyat gibi avantajlar sağlıyorlar. Ana kullanım alanları; telsizler, biyomedikal ekipman, profesyonel video kameralar ve el aletleri olarak sayılabilir. NiCd piller zehirli metaller içeriyor ve çevre dostu değiller.

Nikel-Metal Hidrat (NiMH) — NiCd pillere göre enerji yoğunlukları daha yüksek, ama buna karşılık kullanım ömürleri daha kısa. NiMH piller zehirli atıklar içermiyor. Dizüstü bilgisayarda ve bazı cep telefonlarında kullanım alanı buluyorlar. Gündelik hayatta kullandığımız şarjlı pillerin büyük çoğunluğu da artık bu türden.

Kurşun - Asit piller ve aküler — Ağırlığın çok önemsenmediği ama güç gerektiren uygulamalar için en ekonomik çözüm. Araçlarda, hastane ekipmanında, tekerlekli sandalyelerde, acil durum aydınlatmalarında ve kesintisiz güç kaynaklarında kullanılıyorlar.

Lityum İyon Piller (Li-ion) — En hızlı yaygınlaşan pil sistemi. Li-Ion piller, yüksek enerji yoğunluğu ama aynı zamanda hafif pil gerektiren uygulamalarda kullanılıyor. Li-ion, diğer pillerden genelde daha pahalı ve kullanırken güvenlik için fazladan önlemler gerektirebiliyor. Dizüstü bilgisayar ve cep telefonları en önemli kullanım alanları.

Lityum İyon Polimer (Li-ion polymer) — Li-Ion pillerin ucuz versiyonu gibi düşünülebilir. Kimyasal yapısı Li-Ion piller ile çok benziyor. Çok ince yapıda üretilebiliyorlar. Ana kullanım alanları cep telefonları.

Yeniden kullanılabilir alkalin piller — atılabilir pillerin yerine kullanılabilecek bir pil türü. Daha çok düşük güç gerektiren cihazlarda kullanılabiliyorlar (taşınabilir MP3 çalar, radyo, uzaktan kumanda, ayrıca fener vb.) Şarj döngüsü sayıları kısıtlı, buna karşılık kendi kendilerine boşalmaları oldukça uzun sürüyor. Düşük güçlü uygulamalar için ideal.

Yukarıda kısa açıklamalar ile listelediğim pil türlerini detaylı tanıtayım;

Nikel Kadmiyum (NiCd) Piller

Bu pillerin tarihi 1899 yılına kadar gidiyor. O tarihte Waldmar Jungner NiCd pilleri icat etti. O zamanlar bu piller çok özel uygulamalarda kullanılabiliyordu. 1947 yılında, şarj edilirken ortaya çıkan gazları dışarı vermek yerine yeniden kullanabilen kapalı NiCd piller icad edilince, günümüze kadar gelen modern NiCd piller daha fazla kullanım alanı buldular.

Diğer pil türlerine zarar verebilecek hızlı şarj ve darbeli şarjlar, NiCd pillerin tercih ettiği şarj türüdür. NiCd piller, zor koşullarda en iyi performans veren sağlam işçilerdir. Ancak uzun süre şarjda kalmaya ya da yarım boşaltılıp sonra tekrar doldurulmaya gelemezler. Tamamen boşaltılıp tekrar şarj edilmeleri önemlidir. Aksi durumlarda "bellek etkisi" nedeni ile performansları düşer.

Telsiz cihazlarında, acil tıbbi ekipmanda, profesyonel kameralarda, akülü matkap ve tornavidalarda hala NiCd piller tercih ediliyor. Taşınabilir cihazların %50'sinin NiCd pillere sahip olduğu tahmin ediliyor. Ancak, enerji yoğunluğu daha yüksek pillerin daha çok tercih edilmeleri ve zehirli içerikleri nedeni ile gün geçtikçe kullanım alanlarını yitiriyorlar.

Nikel-Metal Hidrat (NiMH) Piller

NiMH pillere giden araştırmalar 1970'lerde başladı. O sıralarda aslında nikel-hidrojen piller üzerinde çalışılıyordu. Günümüzde nikel-hidrojen piller sadece uydu uygulamalarında yer bulabiliyorlar. Çok ağırlar ve çok pahalı yüksek basınçlı kaplar içeriyorlar.

Araştırmaların ilk yıllarında metal-hidrat alaşımlar pilde kullanılabilecek kadar kararlı değillerdi, ayrıca performansları da istenilen düzeye bir türlü gelmemişti. O yüzden araştırmalar yavaş ilerledi. Sonunda 80'lerde geliştirilen yeni alaşımlar pillerde kullanılmaya uygun ve yeterli enerji yoğunluğuna sahip oldular.

NiMH piller, daha yüksek enerji yoğunlukları ve çevre dostu olmaları sebebi ile daha çok tercih edilmeye başladılar. Modern NiMH piller, NiCd pillere göre %40 daha fazla enerji yoğunluğuna sahip. Bu potansiyel daha da artabilir ama aşağıda belirteceğim bazı istenmeyen sonuçları da var.

NiMH piller de, NiCd piller de kendi kendine boşalma konusunda oldukça kötüler. NiCd piller tam şarj edildikten sadece 24 saat sonra şarjın %10'unu kaybediyor. Bundan sonra her ay %10 daha şarj kaybediliyor. NiMH pillerin kendi kendine boşalma hızı ise NiCd pillerin 1.5 ila 2 katı! Bazı hidrat çeşitleri kendi kendine boşalmayı daha az bir seviyeye indirebiliyor, ama bunun bedeli de enerji yoğunluğunun düşmesi olarak ödeniyor.

NiMH pillerin NiCd pillere göre tercih edilmesindeki en önemli faktör çevre duyarlılığı. Kullanıcıların bitmiş pilleri atma davranışları yüzünden NiMH daha zararsız ve teşvik ediliyor.

NiMH piller, NiCd pillere göre ilerleme sağlamalarına rağmen, sınırlamalar hala mevcut olduğundan, NiMH piller lityum pillere geçişte bir ara seviye sayılabilir.

İlk başlarda NiMH piller NiCd pillere göre daha pahalıydı. Üretimin çoğalması ile birlikte fiyat farkı da pek kalmadığından, NiCd piller için pek bir gelecek öngörülmüyor.

Kurşun-Asit Piller (Aküler)

1859'da Fransız fizikçi Gaston Planté tarafından icat edilen kurşun-asit aküler, ticari olarak kullanılan ilk şarjlı piller oldular. Günümüzde en büyük uygulama alanları otomobiller ve diğer kara araçları, tekneler ve KGK (Kesintisiz Güç Kaynağı, İng: UPS) sistemleri.

Benim gibi 1970'leri ve 1980'leri görenler hatırlayacaktır; bu aküler o zamanlar bakım gerektiriyordu. İçindeki sıvı miktarı buharlaşma ile azaldığından, zaman zaman saf su ya da asit eklemek gerekebilirdi. 80'lerin başında "bakımsız" aküler piyasaya çıktı ve bakım gerektiren aküler yavaş yavaş piyasadan çekildiler. Akünün içindeki sıvı, jel kıvamında maddelerle değiştirildi ve akü tamamen hava geçirmez hale getirilerek buharlaşma önlendi. Şarj ve boşalma sırasında çıkabilecek gazlar için de güvenlik vanaları kondu.

Bu akülerin en çok rastladığımız örneği arabalarımızda gördüklerimiz. Binek araçlarında en çok 45-60 Ah'lik türleri kullanılıyor. Ayrıca daha küçük kapasiteliler portatif lambalarda, PC kesintisiz güç kaynaklarında (KGK), sağlık cihazlarında, motorsikletlerde ve elektrikli tekerlekli sandalyelerde vb. kullanım alanı buluyorlar.

Daha yüksek kapasiteli aküler ise genelde yedek güç olarak büyük KGK'larda kullanılıyorlar. Bu KGK'lar da bankalar, hastaneler, havaalanları, fabrikalar, ofisler ve enerji kesintisi sırasında çalışması gereken birçok ortamda işe yarıyor.

Aşırı şarjları gaz çıkışına neden olduğundan, bu aküler genelde uzun süreli ve tam şarj edilmezler. Hem arabalarda hem de diğer cihazlarda akülerin aşırı şarjını önleyen sistemler mevcuttur.

Kurşun-asit aküler enerji yoğunluğu en düşük olan akülerdir. Kendi kendilerini boşaltma açısından ise NiCd pillere göre yaklaşık 4 kat daha iyidirler. 

Kurşun-asit aküler daima şarjlı bırakılmalıdır. Boş olarak bırakılırlarsa kimyasal sebepler ile tekrar şarj olmaları neredeyse imkansız hale gelir.

Bu aküler çevre açısından NiCd pillerden dahi daha fazla zararlıdır. İçlerindeki kurşun yüzünden mutlaka geri dönüştürülmeleri gerekiyor. Gelişmiş ülkelerde en az %90 oranında geri dönüştürülüyorlar.

Lityum İyon Piller

Lityum piller üzerinde çalışmalar 1912 gibi erken bir tarihte başlamış olsa da, şarj edilmeyen lityum piller ancak 1970'lerde piyasaya çıkabildi. Şarj edilebilir lityum piller 1980'lerde bir türlü üretilemedi. Temel sorun pillerin güvenli olmamasıydı. Ancak 1990'larda daha güvenli piller üretilebildi.

Lityum tüm metallerin en hafifi ve pillerde kullanıldığında en yüksek enerji yoğunluğunu sağlayan madde. Ancak şarj edildikçe lityum elektrodlarda oluşan değişimler ani ısı değişimlerine, dolayısı ile patlamalara yol açabiliyor. Enerji yoğunluğu biraz daha az olsa da, Lityum İyon kullanıldığında daha güvenli sonuçlar elde edildiği görüldü. Bu piller, şarj esnasında ve kullanılırken belli önlemler alındığında yeteri kadar güvenli hale getirilebildiler. Sonunda 1991 yılında ilk Lityum İyon pili Sony piyasaya çıkardı.

Lityum İyon pillerin enerji yoğunluğu NiCd pillerin yaklaşık iki katı. Materyallerdeki bazı iyileştirmeler ile 3 kata kadar da çıkabiliyor. Kullanım esnasında da NiCd pillere benzer bir performans sergiliyorlar. Sadece gerilim düzeyi farklı.

Lityum İyon piller bakım gerektirmiyor, bellek etkisi de bu pillerde bulunmuyor. Kendi kendine boşalma hızları da NiCd ve NiMH pillerin yarısından daha az. Böylece günümüz mobil cihazları için ideal güç kaynağı oldular.

Gerilimlerinin yüksek olması (3.6V) tek bir batarya hücresinin cihazlar için yeterli olması demek. NiCd ve NiMH piller, 1.2V'luk gerilimleri ile bir pil için 3 hücre gerektiriyorlar. Bu sayede Lityum İyon piller tasarımı da kolaylaştırmış oluyor.

Modern Lityum İyon pillerin kimyasal olarak pek çok çeşidi var. Hepsinde ortak olarak lityum kullanılmasına rağmen, kimyasal içerikleri çok farklı olabilmekte. Herbirinin kendilerine göre avantajları ve dezavantajları var. Örneğin pillerin içeriğinde kullanılan kobalt yerine nikel eklenirse pillerin enerji yoğunluğu yükseliyor ama buna karşılık güvenliği azalıyor. Üreticiler tüm bu faktörler ile oynayarak en uygun bataryayı üretmeye çalışıyorlar. Ancak zaman zaman haberlerde gördüğümüz gibi, güvenliğe dikkat etmeyen üreticiler kötü sonuçlara yol açabiliyorlar. Bu nedenle, prestijli üreticiler öncelikle güvenliğe önem veriyor.

Tüm avantajlarına rağmen, Lityum İyon pillerin sıkıntılı oldukları yerler de var. Güvenli bir kullanım için özel koruma devreleri gerekiyor. Bu devreler, pilin geriliminin belli bir değerin üzerine çıkmasını ya da kullanım sırasında belli bir değerin altına inmesini engellediği gibi, şarj ve boşalma akımını denetliyor, ayrıca pilin sıcaklığını sürekli kontrol ediyorlar. Telefon pillerinde bu minik devre de pilin üzerinde, çevresi sarıldığı için göremiyorsunuz (fotoğraf).

Lityum İyon pillerin bir diğer dezavantajı da, hepimizin çok iyi bildiği gibi pil ömrü. Birinci yıl sonunda kapasitesi düşen piller, ikinci veya üçüncü yılda kullanılamaz hale geliyorlar. Kapasite düşmesi pilin kullanılıp kullanılmamasına pek bağlı değil. O nedenle, yeni bir pil alıyorsanız, mutlaka üretim yılına dikkat edin. 2-3 sene önce üretilmiş bir pilden, hiç kullanılmamış olsa dahi verim almanız zor (Maalesef bazı üreticiler üretim tarihi koymuyorlar, ya da seri numarasının içinde anlaşılmaz bir formatta koyuyorlar. Onlar da uyanık tabii :) Yukarıdaki fotoğrafta ise üretim tarihi var ).

Üreticiler sürekli yeni kimyasal formüller denediği için, pil ömrü ile ilgili yazdıklarım üreticiden üreticiye farklılık gösterebilir. Belki ileride daha uzun ömürlü piller de çıkarabilirler.

Lityum İyon pilleri çıkarıp takarken ya da test ederken dikkatli olun. Kısa devre etmek, uçları ters bağlamak, aşırı şarj etmek, sivri bir cisimle delmek, sökmeye çalışmak, katlamak, yüksek sıcaklıklara maruz bırakmak hatta sertçe düşürmek dahi tehlike yaratabilir. İçindeki elektrolit yanıcı olduğundan pilin yanma ihtimali ortaya çıkabilir. Zaman zaman haberlerde gördüğümüz şeyleri aklımızda tutmakta fayda var. 

Lityum Polimer Piller

Lityum Polimer piller, kullandığı elektrolit ile diğerlerinden ayrılıyor. Kullanılan kuru polimer elektrolit, alev alma riski taşımıyor.

Peki bu kadar tehlikesiz ise neden baştan beri tüm cihazlarda Lityum Polimer pilleri kullanmadık? Çünkü bu pillerin iç dirençleri çok yüksek idi ve bu nedenle modern cihazlarımızın ihtiyacı olan yüksek akımları karşılayamıyorlardı. Pilleri 60 derecenin üzerine ısıtırsanız iç direnç kabul edilebilir değerlere iniyordu ama tabii ki bu kullanım pratik değildi. Kimse elini yakan bir cep telefonu istemez. 

Günümüzde ise normal sıcaklıkta çalışabiliyorlar. Yine de Lityum İyon pillerden daha pahalı ve enerji yoğunlukları da daha az olduğu için daha az tercih ediliyorlar. Mobil cihazlarda olmasa da, başka kullanım alanları var. Özellikle sıcak iklimlerde tercih edilebiliyorlar.

Günümüzde Lityum İyon ile Lityum Polimer pillerin bir karışımı olan Lityum İyon Polimer piller yaygın olarak kullanılıyorlar. Üreticiler Lityum İyon Polimer gibi uzun bir isim yerine Li-Polimer diyerek aslında yanlış bilgi veriyorlar ama, sonuçta ürün aynı hibrid ürün. 

Yeniden Kullanılabilen Alkalin piller

Aslında alkalin pilleri şarj etmek yıllardır deneniyor. Şarjları %50'nin altına düştüğünde bu piller şarj da tutuyor. Ancak piyasada satılan alkalin piller için bir uyarıda da bulunmak lazım. Şarjı fazla tutarsanız bu pillerin içinde biriken hidrojen patlamaya yol açabilir. Evde denememek lazım.

Yeniden kullanılabilir alkalin pillerde bu sorun kontrol altına alındı. Ancak bu piller hiç popüler olmadılar. Bunun en büyük sebebi, şarj edildiklerinde ilk kapasitelerine hiç ulaşamamaları ve her şarj edilişte kapasitenin biraz daha düşmesi. Akım kapasiteleri de diğer pillere göre düşük.

Böyle pillerin mevcut olduğunu bilmek açısından bu bilgileri verdim ama bu pilleri piyasada bulmak neredeyse imkansız. Akım kapasitesi düşük cihazlar için standart alkalin piller yeterli ve ucuz zaten.

Süper-kapasitör (Süper-kondansatör)

Süper-kapasitör bir pil çeşidi değil, elektronikte kullanılan kondansatör aslında. Sadece çok küçük bir alana çok büyük bir kapasite sıkıştırılmış. Özel elektrotlar ve elektrolit kullanarak yüksek kapasite değerleri elde edilebiliyor. Elbette fiyatı da normal kondansatörlere göre daha pahalı.

Süper-kapasitörlerin verebildiği enerji diğer pillere göre daha az, kendi kendilerine boşalma hızları daha yüksek. Avantajları ise 1-2 saniye içinde doldurulabilmeleri. İki ana kullanım alanları var; kısa kesintilerde ya da bekleme durumunda cihazların belleklerini korumak ve ani yüksek akım çekebilen devrelerde pile yardımcı olarak gerilimin çökmesini önlemek.

Piller ile ilgili öğrenmek istediğiniz başka detay olursa, yorumlar kısmında sorabilirsiniz.