Pillerin Anatomisi

Pillere bakıldığında artı ve eksi (pozitif ve negatif) olmak üzere iki kutbu olduğu görülür. El fenerleri, TV kumandaları vb. cihazlarda kullanılan piller silindir şeklinde olup kutuplar karşıt uçlarda bulunmaktadır. Otomobillerdeki akülerde ise (aküler de pildir) kutuplar akünün üst kısmında yan yana bulunur. Bir pilin iki kutbu bir iletken ile birbirine bağlanırsa elektronlar eksi kutuptan artı kutba doğru büyük bir hızla hareket etmeye başlarlar. Bu durumda pil kısa sürede tükenir. Aynı zamanda, özellikle büyük, yüksek kapasiteli pillerde tehlikelidir. Pillerin kutupları birbirine doğrudan bağlanmamalı, ampul, elektrik motoru vb. bir dirençten geçirilmedir. Böylelikle piller düzgün şekilde kullanılabilir.

Pillerin dış kısmı metal veya plastik bir örtü ile kaplanmıştır. Bu örtünün altında artı kutba bağlı bir katod ile eksi kutba bağlı bir anot bulunur. Bu bileşenler için daha çok elektrot denilir. Elektrotlar pilin büyük bir kısmını oluştururlar ve elektriği üreten kimyasal reaksiyon da elektrotlar üzerinde gerçekleşir. Bir ayırıcı katman elektrotları birbirinden ayırarak temas etmelerini önlerken elektronların serbestçe hareketini engellemez. Anot ve katot arasında elektron akışının gerçekleştiği ortama ise elektrolit denilir.

Geçmişten Günümüze Pilin Gelişimi

Çalışmak için elektriğe ihtiyaç duyan her türlü makine ve cihazın prize takılı olması gerektiği bir dünya hayal edin. El fenerleri, işitme cihazları, cep telefonları ve taşınabilir diğer cihazları çalıştırmak için prizle bağlantı kurmak zorunda kalınırdı ve bu da cihazların kullanılabilirliğini oldukça olumsuz etkilerdi. Otomobiller de çalışamazdı. Her taraf elektrik kabloları ile sarılmış olurdu ve bu da insanlar için ciddi risk oluştururdu. Ne mutlu ki piller tüm bu olumsuzlukları ortadan kaldırmakta ve insanların yaşamını, günlük hayatta pek de fark etmedikleri kadar kolaylaştırmaktadır

Pek çok farklı türde ve yapıda piller bulunsa da temel çalışma ilkeleri hep aynıdır. Pile bir cihaz bağlandığında kimyasal bir reaksiyon oluşarak akım üretir. Buradaki reaksiyona elektrokimyasal reaksiyon denilir. İtalyan fizikçi Alessandro Volta (Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta) 1799 yılında metal levhalar ve tulu suya batırılmış karton ile ilk basit pili yapmıştır. O günden itibaren bilim insanları Volta’nın orijinal tasarımını geliştirerek pek çok mineral kullanmışlar ve çeşitli ebatlarda ve kapasitelerde piller üretmişlerdir.

Günümüzde piller her yanımızı sarmış haldedir. Kol saatimizde, cep telefonumuzda, mp3 oynatıcılarda, taşınabilir bilgisayarlarda, kumandalarda ve daha pek çok makine ve cihazda pil bulunur ve bu makine ve cihazların çalışmasını sağlar. Eğer bu yazıyı cep telefonunuzdan veya taşınabilir bilgisayarınızdan okuyorsanız şu anda pil kullanıyorsunuz demektir. Bu yazıda pillerin genel yapılarına, tarihine, pillerde gerçekleşen kimyasal reaksiyonlara derinlemesine bir inceleme yapacağız.

Pillerdeki Kimyasal Reaksiyonlar

Bir pili herhangi bir devreye bağladığınızda pilin içinde pek çok şey gerçekleşir. Burada elektrik üreten kimyasal reaksiyonlar pilden pile farklılık gösterse de, temel mantık hep aynıdır.

Bir cihaz pilin artı ve eksi kutuplarına bağlanarak devre tamamlandığında pilde bir dizi kimyasal reaksiyon gerçekleşerek elektrik üretilir. Elektrolitteki iyonlar (elektrik yüklü atom veya moleküller) anotla birleşerek oksitlenme reaksiyonu gerçekleştirir Bu sırada yeni bir bileşik oluşur ve açığa elektron veya elektronlar çıkar. Aynı zamanda katotta iyonlar ve serbest elektronlar yeni bir bileşik oluşturur. Her ne kadar karmaşık görünse de gerçekleşen bu olaylar aslında oldukça basittir. Anotta gerçekleşen reaksiyonlar serbest elektron üretir. Katotta gerçekleşen reaksiyonda ise anotta üretilen serbest elektronlar kullanılır. Pil anot ve katot olarak kullanılan maddelerden en az biri tükeninceye kadar elektrik üretmeye devam eder.

Modern pillerde kimyasal reaksiyonları hızlandırmak için çeşitli kimyasallar kullanılır. Kullanılan farklı kimyasallar farklı pil türlerinin ortaya çıkmasına yol açmıştır. Bunlar:

Çinko-Karbon Piller

Ucuz pillerdir. Anot olarak çinko, katot olarak ise manganez dioksit kullanılır. Elektrolit olarak ise amonyum klorit veya çinko klorit kullanılır.

Alkalin Piller

Anot olarak toz halinde çinko ve katot olarak ise manganez dioksit kullanılır. Alkalin denilmesinin nedeni elektrolit olarak alkali bir bileşik olan potasyum hidroksit kullanılmasından kaynaklanır.

Pilin Tarihi Gelişimi

Pillerin tarihi tahmin edebileceğinizden de çok eskilere dayanır. 1938 yılında arkeolog Wilhelm Konig Bağdad yakınlarında kazı yaptığı sırada tuhaf kil çölekler buldu. Milattan önce 2000’li yıllardan kalma olduğu anlaşılan ve yaklaşık 13 cm boyundaki bu kaplarda bakırla kaplanmış demir çubuklar bulunuyordu. Testler sonucu bu kapların içinde bir zamanlar sirke gibi asidik bir sıvının konulduğu anlaşıldı. Bu sonuç Konig’in bulduğu kapların antik çağlardan kalma piller olduğu sonucuna ulaşmasını sağladı. Bu keşfin ardından bulunan antik kalıntıların benzerleri yapılarak gerçekten de elektrik akımı üretebildikleri görüldü. Bu kaplarla üretilen elektriğin dini ritüellerde, tedavi amaçlı ve hatta galvanik kaplama amaçlı kullanılmış olabileceği tahmin edilmektedir.

1799 yılında İtalyan fizikçi Alessandro Volta Volta pili olarak bilinen bu düzenek ilk elektrik üreten düzenek olmasa da, sabit ve uzun süreli elektrik üreten ilk düzenektir. Bununla birlikte Volta’nın keşfinin bazı zayıf yanları bulunmaktaydı. Karton veya kumaşı sıkıştırıp tuzlu suyu dışarı atmaması için levhaların boyutları kısıtlı olmak durumundaydı. Ayrıca metal levhalar hızla aşınmakta ve bu olumsuzluklar Volta pilinin ömrünün çok kısa olmasına yol açmaktaydı. Tüm bu eksikliklerine rağmen SI birim sisteminde Volta’nın onuruna elektromotor kuvvet birimi ve potansiyel fark birimi Volt olarak adlandırılmıştır.

Pillerin tarihindeki ikinci büyük gelişme 1836 yılında İngiliz kimyager John Frederick Daniell’in Daniell pilini yapmasıdır. Daniell pilinde cam bir kavanozun dibine bakır bir levha yerleştirilmiş, kavanoz bakır sülfat çözeltisi ile yarısına kadar doldurulmuş, bakır sülfat çözeltisinin üst kısmına çinko levha asılmış ve ardından kabın kalanı çinko sülfat ile doldurulmuştur. Bakır sülfat çinko sülfata göre daha yoğun olduğundan iki çözelti karışmamakta, altta bakır sülfat üstte çinko sülfat olacak şekilde durmakta, çinko levha da çinko sülfat çözeltisi ile kaplı kalmaktadır. Çinko levhaya bağlanan kablo negatif, bakır levhaya bağlanan kablo ise pozitif kutup görevi görmektedir. Daniell pili (Daniell bataryası) sabit duran makine ve cihazlar için ideal bir çözüm olmuş, elektrik üretimi ve dağıtımı gelişinceye kadar kapı zili ve telefonlar için güç kaynağı olarak kullanılmıştır.

Lityum İyon Piller

Cep telefonları, fotoğraf makineleri, taşınabilir bilgisayarlar gibi yüksek performanslı cihazlarda kullanılan bu pillerin en önemli özelliği şarj edilebilir oluşlarıdır. Lityum iyon pillerde çok çeşitli bileşikler kullanılmakla birlikte en çok lityum kobalt oksit katot ile birlikte karbon anot kullanılmaktadır.

Kurşun Asit Piller (Akü)

Motorlu taşıtlarda kullanılan aküler bu tür pillerdir. Elektrot olarak genellikle kurşun dioksit ve metal kurşun kullanılırken elektrolit olarak sülfürik asit çözeltisi kullanılır. Şarj edilebilir pillerdir.

Şarj Edilebilir Piller

Taşınabilir bilgisayarlar ve cep telefonları gibi cihazlar yoğun şekilde kullanılmaya başlayınca şarj edilebilir pillere olan ihtiyaç ve talep de hızla arttı. Aslında şarj edilebilir piller Fransız fizikçi Gaston Plante 1859 yılında ilk aküyü yani kurşun asit pili icat ettiği andan beri insanların dünyasındadır. Kurşun anot ve kurşun oksit katot ile sülfürik asit elektrolit kullanan Plante modern çağın otomobillerinin geliştirilebilmesine de olanak tanımıştır.

Şarj edilebilir ve edilemeyen piller aynı yolla elektrik üretirler. Bu reaksiyonları yukarıda açıkladık. Bununla birlikte şarj edilemez pillerde gerçekleşen reaksiyonların geri dönüşü yoktur. Yani tersinir reaksiyon değildirler. Şarj edilebilir pillerde ise pile akım verildiğinde pil elektrik üretirken gerçekleşen reaksiyonlar tersinir, yani aksi yönde gerçekleşir. Lityum iyon (LiOn) piller en yaygın olarak kullanılan şarj edilebilir pillerdir. Ancak Nikel Metal Hidrit (NiMH) ve Nikel Kadmiyum (NiCd) piller karşılaşılabilecek diğer şarj edilebilir pil türleridir.

Şarj edilebilir pillerin tamamı aynı etkinliğe sahip değildir. Örneğin Ni-Cd piller bir zamanlar en yaygın kullanılan şarj edilebilir pillerdi ancak hafıza etkisi denilen bir probleme sahiptiler. Temel olarak bu piller tamamen boşalmadan şarj edilerek kullanılırsa kısa sürede kapasitelerini kaybetmektedirler. Bu nedenle Ni-Cd piller günümüzde artık pek kullanılmamaktadır. Ni-MH pillerde hafıza etkisi minimum düzeyde olsa da, bu pillerin raf ömrü kısadır. Ni-MH piller gibi Li-On piller de uzun ömürlüdürler. Aynı zamanda şarjlarını uzun süre korumakta, yüksek voltajlar sağlayabilmekte ve küçük bir hacimli ve hafif pillerdir. Bu nedenle günümüzün yüksek teknoloji ürünü cep telefonları, tablet bilgisayarlar, dizüstü bilgisayarlar gibi cihazlarda Li-On piller kullanılmaktadır. Ancak Li-On piller standart (A-AA-AAA gibi) ölçülerde pahalı olduklarından pek üretilmemektedirler.

Ni-Cd ve Ni-MH piller dikkatle şarj edilmelidir. Aşırı şarj edilmeleri durumunda elektrik depolama kapasiteleri düşer. Bu nedenle pek çok şarj cihazı piller şarj olduğunda otomatik olarak şarj etmeyi kesecek şekilde üretilmiştir. Aynı zamanda Ni-Cd ve Ni-MH pillerin kapasitelerini korumak için tamamen tükettikten sonra şarj etmek gerekir. Li-On piller ise aşırı şarj etmeyi önleyen özel şarj ekipmanlarına sahiptirler ve şarj etmek için tamamen pili tüketmeye gerek duyulmaz.

Şarj edilebilir piller de eninde sonunda ömürlerini doldururlar. Ancak dikkatli kullanılırlarsa oldukça uzun bir ömre sahip olurlar. Pillerin içinde doğa için çok tehlikeli kimyasallar bulunur. Bu nedenle ömrü tükenen piller mutlaka geri dönüşüme verilmeli, doğaya atılmamalıdır.

 

Kaynak : Tubitak Peter Adamczyk-Paul-Francis Law