Sistem Dinamiği ve Modellemesi - kisi.deu.edu.trkisi.deu.edu.tr/aytac.goren/ELK2015/h07_Piller.pdf · Pil ömrü tanımlamasında iç direnç kavramı da geçerlidir.Piller kullanıldıkça

Elektrik

Yakıt Hücreleri ve Piller

21.11.2011 Dr. Levent Çetin 2

Piller:

Pil, kimyasal enerjinin depolanabilmesi ve elektriksel bir forma

dönüştürülebilmesi için kullanılan bir aygıttır. Piller, bir veya daha

fazla elektrokimyasal hücre, yakıt hücreleri veya akış hücreleri gibi,

elektrokimyasal aygıtlardan oluşur.


Piller Çalışma Prensibi:

Piller elektrik enerjisini biriktirir ve gerektiğinde kullanır. Elektrokimyasal olarak bir

metal kendi iyonları içeren bir sıvıya daldırılırsa potansiyel farkı meydana gelir.

M → M+ + e Yükseltgenme

M+ + e → M İndirgenme

Yükseltgenmenin olduğu elektrot anot, indirgemenin olduğu elektrotta katotdur.


Pillerde Kimyasal Reaksiyon:

Örnek: Kurşun asid pilin deşarjı

Anod

Katod

Tüm

PbO2 + 4H+ + 2e- Pb2+ + 2H2O

Pb Pb2+ + 2e-

2H2SO4 4H+ + 2SO42-

Pb2+ + SO42- PbSO4

Pb2+ + SO42- PbSO4v

Pb + PbO2 + H2SO4 2PbSO4 + 2H2O


Pillerde Kimyasal Reaksiyon:

PbO2

H2O

H2SO4Pb2+

O22-

2H+

SO42-

2e-

Pb2+

Pb

SO42-

2H+

H2SO4

PbSO4

2e-

PbSO4

H2O

H2O

2H2O

H2OH2O


Pilin Deşarj durumunda teorik elektriksel modeli:


Pilin Şarjı:

Bazı pillerde enerji geri dönüşlüdür. Bundan kasıt, elektrik enerjisinin şarj işlemi

vasıtasıyla tekrar kimyasal enerjiye dönüştürülebileceğidir. Dolayısıyla nihai

gerilimine veya daha alt gerilime inmiş bir sekonder pile belirli değerdeki bir

akımı belirli süre vererek, kimyasal reaksiyonları tersine çevirmek ve pili

tekrardan şarjlı duruma getirmek mümkündür.

Şarj işlemi, sekonder pilin kapasitesine göre tasarlanmış şarj cihazı ile yapılmalıdır.

Uygulanacak şarj akımının büyüklüğü, nominal kapasitenin alt ve üst katları

olarak verilir.

Örneğin nominal kapasitesi 4 Ah olan pil 4 amperlik bir şarj akımı vasıtasıyla bir

saat sonrasında teorik olarak tam şarjlı duruma ulaşır. Aynı pilin 400

miliamperlik, yani onda bir değerdeki şarj akımı ile şarjlı duruma gelmesi ise 10

saat sürecektir. Ancak normalde şarj işleminin verimliliği düşük olduğundan süre

%40-60 fazlasıyla uygulanır ve standart şarj süresi 14-16 saat e çıkar. Şarj

işleminin oda sıcaklığında, (15-25°C) yapılması tavsiye edilir. Sıcaklığın artması

veya azalması şarj verimini etkiler.


Pillerin Şarj Durumunda teorik elektriksel modeli:


Pillerin Çeşitleri Genel olarak piller, kullanıldıktan sonra atılan (Non-rechargeable) ve tekrar şarj

edilebilen (Rechargeable) piller olarak ikiye ayrılır.

Kullanıldıktan sonra atılan (şarj edilmeyen) pillerde gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyonlar tersinmezdir.

• 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 gerekriren uygulamalarda da kullanılabilir.

• Gümüş-oksit pil – Genelde işitme cihazlarında kullanılır.

• Lityum (Lithium) pil – Saat ve bilgisayar saatlerinde de kullanıldığı görülür.Çok uzun ömürlüdür, fakat pahalıdır.

• Merküri (Mercury) pil – Genelde dijital saatlerde kullanılır.

• Çinko-hava pil – Genel olarak işitme cihazlarında kullanılır.

• Isıl (Termal) pil – Yüksek sıcaklık depolar. Askeri uygulamalarda önem taşır.


Pillerin Çeşitleri Kullanıldıktan sonra şarj edilebilen pillerde gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyonlar

tersinirdir.

• Kurşun-asit pil – Araçlar, alarm sistemleri ve kesintisiz güç ihtiyacı olan yerlerde kullanılır.

• Lityum-iyon pil – Oldukça yaygın olan türdür. Yüksek şarj yoğunluğu vardır. Dizüstü bilgisayar, cep telefonları, mp3 çalarlar ve daha birçok taşınabilir dijital cihazda kullanılır.

• Lityum-iyon polimer pil – Lityum iyon pilin temel karakteristiklerini taşır, farkı daha az şarj yoğunluğu olmasıdır. o Sodyum-sülfür (NaS) pil

• Nikel-demir pil

• Nikel metal hibrid (Ni-MH) pil

• Nikel-kadmiyum pil - Li-Ion ve Ni-MH pil tiplerinin tüm uygulamalarında kullanılabilir. Bu pil, uzun şarj adedine sahiptir (1500 defanın üzerinde). Fakat diğer tiplere göre daha az enerji yoğunluğuna sahiptir.

• Sodyum-metal klorid pil

• Nikel–çinko pil

• Erimiş tuz pili


Piller Temel Kavramlar

GERİLİM: Satın alınan her çeşit pilin üzerinde, sahip olduğu kimyasal sisteme göre

artı ve eksi uçları arasında yaratılan potansiyel farkını gösteren ve volt (V)

cinsinden ifade edilen gerilim değeri muhakkak yazılıdır.

Bu gerilim, pilin hiçbir harici devreye bağlı olmaksızın sahip olduğu açık devre

gerilimi veya nominal gerilimidir. Sitemine göre yaratılabilen bazı nominal

gerilim değerleri aşağıda verilmiştir.

Primer: Şarj edilemez Sekonder: Şarj edilebilir



KAPASİTE: Sekonder pillerin üzerinde genelde amper-saat (Ah) veya miliamper-

saat (mAh) cinsinden akım değerleri veya başka bir deyişle sahip oldukları

nominal enerji kapasiteleri yazılıdır. Bu değer, pilin bağlandığı cihaza verdiği

sabit akımla (ki buna boşalma veya deşarj akımı denir) deşarjın başlangıcından

deşarj sonu gerilim seviyesine ulaşıncaya kadar geçen zamanın çarpılması

sonucunda elde edilir.

Örneğin üzerinde 2 Ah (veya 2000 mAh) yazılı bir pil bir saat boyunca 2 amperlik

bir deşarj akımını veya yarım saat boyunca da 4 amperlik bir deşarj akımını teorik

olarak üretilebilir.

Pilin içinde ne kadar elektrolit ve elektrot varsa pil kapasitesi o kadar fazla olur. Bu

yüzden içinde aynı voltajı sağlayan kimyasal reaksiyonlar meydana gelse bile

küçük pillerin kapasitesi büyük pillere göre daha azdır.

Hücreler içindeki kimyasal reaksiyonlardan dolayı, pillerin bitme süreleri akımın

büyüklüğü, akım süresi, sıcaklık ve diğer başka faktörler gibi çevresel etmenlere

göre değişebilir



KAPASİTE

Pil üreticileri pillerini derecelendirmek için standart bir yöntem kullanmaktadırlar.

Pil sabit akım ve sabit zamanda (10 saat, 20 saat gibi) her hücre için belirlenmiş

voltaja düşürülür.

Buradaki sabit akım değeri xC- deşarj değeri olarak ifade edilmektedir.Mesela 1C’lik

bir deşarj durumu için, 100 A-h ‘lık bir pil, 100 A'lik sabit bir akım ile deşarj

edildiğnde oda sıcaklığında 1 saat dayanmaktadır. Burada sabit akım 50 A’e ise

bu pilin (x=100/50=2) C/2 lik deşarj durumuna denk gelmektedir.


Piller Temel KavramlarKAPASİTE

Hücreler içindeki kimyasal reaksiyonlardan dolayı, pillerin bitme süreleri akımın büyüklüğü, akım süresi, sıcaklık ve diğer başka faktörler gibi çevresel etmenlere göre değişebilir.

.

Bir pilin verimliliği, boşalma hızına bağlılıdır. Düşük hızda boşaltılırken pilin enerjisi yüksek

hızdaki boşalmaya göre daha verimli dağıtılır.(Peukert Yasası)

Peukert Katsayıları



KAPASİTEye Sıcaklık .etkisi

Pil bünyesindeki gerilim ve sıcaklık farklılıkları kimyasal reaksiyonları etkileyen en

önemli faktörlerdir. Sıcaklık arttıkça kimyasal reaksiyonların hızı da artar.

Bu nedenle sıcaklık artışı pil performansını arttırıcı bir neden olarak görülse de,

istenmeyen reaksiyonların da paralel biçimde artması sonucunda pil ömründe

kayıplar ortaya çıkar.

• Sıcaklık artması pilin deşarj verimini arttırır. Pil için en kötü çalışma şartı düşük

sıcaklıkta yüksek akım çekilmesidir.

• Sıcaklık artması pilin şarj süresini arttırır. Pil için en verimsiz şarj etme durumu

düşük sıcaklıkta oluşur.

• Sıcaklık artması pilin çalışma ömrünü azaltır.Pil yüksek sıcaklıklarda ve yüksek

akım değerleri ile kullanılıyorsa pilin çalışma ömrü kısalır.

• Sıcaklık pilin raf ömrünü kısaltır.







Diğer taraftan, pillerin depolama esnasındaki raf ömürleri ve şarjlarını muhafaza

etme özellikleri önemli ölçüde bahis konusu istenmeyen bu yan reaksiyonlara

bağımlıdır. Ayrıca bu tür reaksiyonlar elektrotların pasifleşmesine, korozyona ve

bünyeden gaz çıkışı artışına yol açarlar.


Piller Temel KavramlarÖMÜRPiller bünyelerindeki aktif maddelerin kaybı ve istenmeyen kimyasal veya fiziksel

değişimlerin sonucunda ömürlerini nihayette tüketirler. Ömür kavramını ay veya yıl olarak tanımlamaktan ziyade, çevrim ömrü olarak ifade

etmek daha doğru olacaktır. Buna göre bir şarj (doldurma) ve bunu takiben yapılacak bir deşarj (boşaltma) işleminin karşılığına bir çevrim denilmektedir.

Tek kullanımlık veya diğer bir ifadeyle şarj edilemeyen türdeki pillerin çevrim ömrünün bir olduğunu söyleyebiliriz. Buna karşılık şarj edilebilir tip pillerde 500-1500 çevrime ulaşılması mümkün olabilmektedir.

Her bir çevrim sonucunda pil başlangıçta sahip olduğu nominal enerji kapasitesini bir miktar kaybeder ve kapasite başlangıca nazaran %60-70’e düştüğü zaman o cihaz için pil ömrünü tamamlamıştır.

Pil ömrü tanımlamasında iç direnç kavramı da geçerlidir.Piller kullanıldıkça iç dirençleri yükselmeye başlar ve genellikle iç direnç başlangıca nazaran 1,3 - 2,0 misli arttığında pilin ömrü tamamlanmıştır. Ancak iç direnç ölçümü zor olduğundan, ömür tespitinde çevrim sayısının esas tutulması genellikle kabul edilmektedir.



ÖMÜRe Deşarj Derinliğinin etkisi Tanımlanan çevrim sayısı kavramında pillerin tam şarjlı durumdan tamamen deşarj

edilmiş duruma geçmeleri esas tutulmuştur. Eğer deşarj işlemleri tam yapılmayıp

kısmi olarak gerçekleştirilirse çevrim ömrü çok daha uzun olacaktır.



ÖMÜRe Deşarj Derinliğinin etkisi • Görüldüğü gibi Pillerde çevrim ömrü ile şarj derinliği arasında logaritmik bir

bağlantı mevcuttur ve şarj derinliği azaldıkça çevrim ömrü uzar. Bahis konusu

bağlantıyı gösteren bir grafik aşağıda verilmiştir.

• Yukarıdaki ilişki bir çok pil çeşidi için geçerlidir ve bu özelliklerden yararlanılarak

bir çok ürün çeşidinde çevrim ömrünü uzatmak mümkün olmuştur.

• Örneğin genellikle lityum-iyon pillerinin kullanıldığı cep telefonlarında deşarj

derinliğini %25-30 dolaylarında tutarak çevrim Ortalama Çevrim Sayısıömrünü

5-6 misli arttırmak mümkündür.

• Düşük deşarj akımları ve flaş şarjların uygulandığı mikro-uygulamalarda ise

300.000 – 500.000 çevrim ömürleri elde edilebilmektedir.



ÖMÜRe Şarj Seviyesinin etkisi Bazı pil sistemlerinde mesela lityum pillerinde, şarj akım seviyesinin sınırlandırılması

çevrim ömrünün uzamasına yol açar. Diğer bir deyişle bu tür pillerde tam şarj

yerine, kısmi şarj uygulamaları avantajlıdır.

Lityum-iyon pillerinin değişik şarj sonu gerilimlerinde ortaya çıkan çevrim ömürleri



ÖMÜRe etki eden faktörlerDeşarj sonu gerilimi altında çalıştırma Pillerin belirlenen deşarj sonu gerilimlerinin

altında çalışmaları da aktif kütlelerinde kayıplara yol açabilmektedir.



ÖMÜRe etki eden faktörlerGerilim:Şarj edilebilir türdeki piller, içlerindeki kimyasal maddelerin türüne bağlı

olarak belirli bir çalışma gerilim seyrini gösterirler. Pillerin öngörülen gerilim

sınırları dışına çıkmaları pil içersinde istenmeyen kimyasal reaksiyonların

başlamasına yol açar.

Tam şarjlı durumdaki bir pilin aktif kütlesi pilin kullanımı için hazır duruma

gelmiştir ve bu durumdaki pile daha fazla enerji yüklenmesi pilin ısınmasına, geri

dönüşümü mümkün olmayan kimyasal reaksiyonların başlamasına ve neticede

performans kaybına neden olur.

Şarj işleminin daha da sürdürülmesi sıcaklık ve iç basınç artışı sonucunda pilin

parçalanarak veya patlayarak zehirli gazlar salınımı ve yangına sebebiyet

verecektir.

Bunun yanında basınç, elektrolit kaybı, yaşlanma gibi etmenlerde pil ömrünü

azaltmaktadır.


Pillerin BağlanmasıTaşınabilir cihazlar bazen birden fazla pile ihtiyaç duyabilirler. Bu cihazın işletim

gerilimine ve işletim akım değerine bağlıdır. Örneğin çinko-karbon pilleriyle 3 adet pilin artı ve eksi uçları birbirine bağlanarak (seri bağlama) 4,5 voltluk (1,5 x 3) gerilime sahip bir batarya elde edilebilir. Aynı şekilde, bir saatte 1000 miliamper akım üretebilen 1,5 voltluk 3 adet benzer pilin artı uçları birbirlerine ve eksi uçları da yine birbirlerine bağlanılarak (paralel bağlama) 3000 milamperlik akım üretebilen 1,5 volt gerilim değerine sahip bir batarya meydana getirebilir.

Seri veya paralel bağlanacak pil sayısı dış etkenlere, özellikle sıcaklığa bağlı olarak sınırlıdır. Ayrıca sekonder pillerin sistemin dengesini bozacağı nedeniyle paralel bağlanmaları tavsiye edilmez.


Pil Teknolojileri

Kurşun Asit Bataryalar

Kurşun-asit bataryalarda hücrenin anodu kurşundan, katot kısmı ise bir metal levha

üzerine oturtulmuş kurşundioksitten yapılmıştır. Her batarya birkaç bağımsız

hücreden yapılmış olup, her hücrenin gerilimi 2 volttur. Bunların da çoğu 3 veya

6 hücreli olup, batarya gerilimleri 6 volt ya da 12 volt'tur.

Ni-Cd, Ni-MH ve Li-On pillere göre daha eski teknoloji olmalarına rağmen yüksek

sığalı olmaları ve ucuz olmaları sebebiyle kurşun-asit bataryalar yaygın

kullanılmaktadır.

Pil büyüklüğünün önemli olmadığı ortamlar için ekonomik bir pil türüdür. Tıbbi

cihazlarda, engellilerin kullandığı motorlu sandelyeler, acil durum ışıldakları,

kesintisiz güç kaynaklarında, motorsikletlerde ve arabalarda kullanılır.

Bu bataryalar uzun bir gelişme süreci geçirmiş olmalarına rağmen 25-35 Wh/kg gibi

düşük bir enerji yoğunluğuna sahiptir. Buna karşılık güç yoğunluğu 150 W/kg

gibi oldukça yüksek bir değerdir. Kullanım ömürleri ise yaklaşık 3 yıldır

pil00Leadacid 12V40Ah.pdf


Pil Teknolojileri

Nikel Kadmiyum Piller (NiCd)

Bilinen en eski şarj edilebilir (sekonder) pil türlerinden biridir. Şarjlı durumdayken

pozitif elektrotta nikel hidroksit oluşur, negatif elektrot ise kadmiyumdan

ibarettir. Potasyumhidroksit elektrolit maddesi olarak kullanılır. NiCd pillerinin

daha sonra kullanıma giren diğer şarjlı pil türlerine nazaran başlıca avantajları son

derece güvenli olmaları, hızlı şarjlara dayanılıkları ve eksi 150C gibi düşük

sıcaklıklarda rahatlıkla kullanılabilmeleridir.

Ancak bünyesindeki yüksek orandaki kadmiyum maddesinden dolayı diğer birçok

uygulamalarda yerini nikel metalhidrit pillerine bırakmıştır. Önemli diğer bir

dezavantaj primer alkali manganez ve lityum pillerine nazaran düşük enerji

kapasitesine sahip olmalarıdır.

pil00GP_NiCd1000mAh.pdf


Pil Teknolojileri

Nikel Metal Hidrit Piller (NiMH)

Nikel kadmiyum pillerinden temel farkı kadmiyum maddesinin yerini hidrojen

alaşımının almasıdır. Pil sistemi üzerinde yapılan yoğun çalışmalar sonucunda

NiMH pillerinin birim hacim esasına göre enerji yoğunlukları NiCd pillerinin

çok üzerine çıkartılmıştır.Bunun yanında iç dirençleri çok düşük piller üretilerek,

ısı oluşumu azaltılmış ve bu suretle pil performansı arttırılmıştır.

Bu türdeki gelişmiş NiMH pilleri , örneğin uzun süreyle 30 amper veya daha yüksek

akım gereksinimi gösteren elektrikli bisikletlerde ( yokuş çıkışları esnasında)

rahatlıkla kullanılabilmektedir. Bu özellikteki piller acil aydınlatma cihazlarına

veya hafıza besleme devrelerine yerleştirilebilmekte ve bu suretle NiCd pillerine

nazaran aynı kapasitede ancak daha az hacimli pillerin kullanılmasına imkan

yaratılmaktadır.

pil00GP_NiMh1000mAh.pdf


Pil Teknolojileri

Lityum İyon Piller (Li İyon)Şarjlı pil sistemleri arasında Li İyon pilleri ağırlık ve hacim esasına göre en yüksek

enerji yoğunluklarına sahip olan sistemdir. Örneğin bu enerji yoğunluğu standart NiCd pillerine nazaran 2 mislidir. Ayrıca Li İyon pillerinin mevcut enerji kapasitelerini ileride daha da arttırmak mümkün görülmektedir. Pil geriliminin 3,6 volt olması çok önemli bir avantajdır. Cep telefonları genellikle tek bir Li İyon pili ile çalışır. Buna karşılık aynı görevi 1,2 volt gerilime sahip 3 adet nikel esaslı pil yapmak zorundadır.

Endüstriyel türdeki Li İyon sistemleri ise bu gün hibrit türü elektrikli araçlar için önemli bir enerji kaynağını teşkil etmektedirler.

pil00GP_LiON2150mAh.pdf


Pil Teknolojileri

Lityum Polimer Piller

Li Polimer pilleri diğer şarj edilebilir lityum pillerine nazaran kullanılan elektrolit

maddesi bakımından farklılık gösterir. Li Polimer sisteminde elektrolit, iletkenliği

olmayan ancak iyonların geçişine müsaade eden plastik türü bir maddeden

yapılmıştır.

Katı halde polimer uygulaması da üretimi basitleştirmekte, pil güvenliğini

arttırmakta ve ince yapılı pillerin oluşumuna imkan sağlamaktadır.

Bu suretle cihaz içerisinde mevcut kısıtlı hacme uyacak enerji kaynağının

kullanılması da kolaylaşmaktadır.

pil00GP_LiPo1850mAh.pdf


Pil Teknolojileri

Karşılaştırma


Pil Teknolojileri

Karşılaştırma

Documents

Sistem Dinamiği ve Modellemesi - kisi.deu.edu.trkisi.deu.edu.tr/aytac.goren/ELK2015/h07_Piller.pdf · Pil ömrü tanımlamasında iç direnç kavramı da geçerlidir.Piller kullanıldıkça