Pil nedir? Pil nasıl çalışır? Yapısı nasıldır

Pil nedir?

Pil, ihtiyaç duyulan her yerde sınırlı miktarda elektrik enerjisi üretebilen, kendi kendine yeten, kimyasal bir güç kaynağıdır. Diğer bir ismi bataryadır. Depolanmış kısa süreli enerji ihtiyacının olduğu elektronik aletlerde kullanılan piller uygun maliyetli ve efektif bir enerji üretecidir.

Pil ne işe yarar?

Bir santralden evlerinize kadar kablolar vasıtasıyla iletilen ve anında tüketilmesi gereken elektrik enerjisinin aksine pil, yapısında depoladığı kimyasalları günler, haftalar, aylar boyunca kullanılabilmek üzere elektrik enerjisine dönüştürür.

İnsanlar tarih boyunca enerjinin peşine düşmüşlerdir. Bir enerji formunu başka bir enerjiye çevirmek insanın doğasında vardır. Buharlı trenlerde olduğu gibi kömürü yakarak mekanik enerjiye çevirmeyi ya da bir türbine rüzgar çarptırarak elektrik üretmeyi başarabilmişizdir. Ancak enerjiyi depolama sorununa günümüzde bile tam anlamıyla bir çözüm bulabilmiş değiliz. Özellikle elektrik enerjisini. Piller bu sorunu çözmemize kısa süreli de olsa yardımcı oluyorlar. Batarya teknolojisi geliştikçe bu süreleri uzatma şansımız artacaktır. Şimdi gelin pil bu enerjiyi nasıl depoluyor buna bir göz atalım. Öncelikle yapısını inceleyelim…

Pilin yapısı

Tahmin ettiğiniz gibi bilin çok karmaşık bir yapısı yok. Bir kasa içerisine sıkıştırılmış kimyasallar ve bu kimyasalın enerjisini elektrik enerjisine çevirmeye yarayan pozitif ve negatif uçlardan ibaret diyebiliriz. Parçalarını biraz daha detaylandırmamız gerekirse:

Anot

Elektronlar anot ucunun dışına yani bağlı cihaza doğru akar. Bir bataryada, anot ve elektrolit arasındaki kimyasal reaksiyon, anotta bir elektron birikmesine neden olur. Bu elektronlar katoda da hareket etmek ister, ancak elektrolit veya ayırıcıdan geçemezler. Anodu elektron akışının yani elektrik enerjisinin başladığı uç diye tanımlayabiliriz.

Katot

Anottan çıkan elektronlar bağlı cihazı geçtikten sonra katot ucuna doğru akar. Elektronların katoda ulaşmasının tek yolu, akünün dışından gelen iletken bir devredir.

Elektrolit

Elektrolit, anotta meydana gelen kimyasal reaksiyonlar ile katod arasında iyonları taşıyabilen, genellikle sıvı veya jel olan maddedir. Elektrolit ayrıca anot ve katot arasındaki elektron akışını da engeller, böylece elektronlar elektrolit yerine dış devre içinden daha kolay akar. Elektronlar içinden geçemediğinden, anotu katoda bağlayan bir devre formunda elektrik iletkenleri boyunca ilerlemeye zorlarlar.

Ayırıcı

Ayırıcılar, anot ve katodun temas etmesini önleyen ve pilde kısa devreye neden olabilecek gözenekli malzemelerdir. Ayırıcılar, pamuk, naylon, polyester, karton ve sentetik polimer filmler dahil olmak üzere çeşitli malzemelerden yapılabilir. Ayırıcılar, anot, katod veya elektrolit ile kimyasal olarak reaksiyona girmez.

Pil nasıl çalışır?

Bir bataryanın içindeki temel güç ünitesine hücre denir ve üç ana elemandan oluşur. İki elektrot (elektrik terminalleri) ve bunların arasında elektrolit denilen bir kimyasal vardır. Güvenliğimiz için, bunlar genellikle metal veya plastik bir dış kılıf içinde paketlenir. İçinde bulunan elektrotlara bağlı dış tarafta artı (pozitif) ve eksi (negatif) ile işaretlenmiş iki tane elektrik terminali vardır.

Bir pilin iki elektrotunu bir devreye bağladığınızda (örneğin, el fenerine bir tane koyduğunuzda), elektrolit sinyallenmeye başlar. Yavaş yavaş, içindeki kimyasallar diğer maddelere dönüştürülür. Elektrotlardaki malzemelerden oluşan iyonlar (elektron içeren atomlar) elektrolit ile kimyasal reaksiyona girer. Aynı zamanda, elektronlar bataryanın bağlı olduğu devreden de geçerek bataryanın diğer tarafına dolanırlar. Bu işlem elektrolit tamamen bitene kadar devam eder. Bu noktada, iyonlar elektrolitin içinde hareket etmeyi keser ve pil biter.

Pilin uçlarında neden iki farklı eleman kullanılır?

Bir bataryadaki elektrotlar daima iki farklı malzemeden yapılır. Bu pilin çalışma prensibini anlamımızda çok önemli bir noktadır. İki uçta kullanılan elemanların biri elektronları çekmeyi biri de itmeyi seviyor olmalıdır ki elektronlar akabilsin. Her iki elektrot aynı malzemeden yapılırsa hiçbir akış olmaz.

Çinko çiviyi ve bakır bir parayı limonun içine batırarak basit bir pil yapmışsınızdır. Bu durumda elektrik akışı oluşur çünkü çivideki çinko atomları elektronlarını kaybeder ve bu da yaptığınız devre boyunca madeni paradaki bakır atomlarına doğru akar. Bu elektron akışı, küçük bir ampulü veya LED’i (kırmızı) aydınlatabilen bir akım oluşturur.

Pil çeşitleri ve özellikleri

Piller farklı şekillerde, boyutlarda, voltajlarda ve kapasitelerde (depolanan şarj veya enerji miktarlarında) üretilirler. Her türlü farklı kimyasal elektrolit ve elektrot ile yapılabilmesine rağmen, pil türleri primer piller ve sekonder piller olarak ikiye ayrılır:

1-Primer piller

Şarj edilemeyen ve atılabilir pillerdir. İçlerinde sıvı olmadığından genellikle kuru pil olarak da adlandırılırlar.

a-Çinko karbon piller

El feneri gibi şeyler için aldığınız en ucuz, sıradan, günlük pillerdir. Tek kullanımlık çinko-karbon piller 1865 yılında Fransız mühendis Georges Leclanché tarafından icat edilmişlerdir. Bu yüzden bazen “Leclanché hücreleri” olarak da adlandırılırlar. Ucuzdurlar fakat çok fazla enerji depolamazlar ve uzun süre dayanmazlar.

“Çinko-karbon” esasen bataryanın nasıl yapıldığının bir açıklamasıdır: pozitif elektrot toz haline getirilmiş karbon ve manganez oksit ile çevrili bir karbon çubuktan yapılır. Negatif elektrot (dış kasa) bir çinko alaşımdır ve elektrolit, bir amonyum klorür macunudur. Bir çinko-karbon batarya bir devreye bağlandığında, iki elektrotta farklı reaksiyonlar meydana gelir. Negatif elektrotta çinko, çinko iyonlarına ve elektronlara dönüştürülür. Devreye güç sağlar. Pozitif elektrotta, manganez oksit manganez okside ve amonyağa dönüşür.

b-Alkalin piller

Alkalin piller çinko karbon piller ile aynı yapıda görünür, ancak daha fazla enerji depolarlar ve daha uzun süre dayanırlar. Bu da onları çok güvenilir bir güç kaynağı yapar. Çinko karbonlara göre daha pahalıdırlar. Her ne kadar çinko karbon ile tamamen aynı görünseler de, içerisinde farklı kimyasallar kullanılır ve içinde farklı reaksiyonlar olur. Pozitif elektrot manganez oksitten, negatif elektrot çinkodan yapılır. Elektrolit konsantre bir alkalin çözeltisidir (potasyum hidroksit). Güç iki kimyasal reaksiyonla üretilir. Pozitif elektrotta, manganez oksit, manganez oksit ve hidroksil iyonlarına dönüştürülür. Negatif elektrotta, çinko devreye güç veren elektronları serbest bırakmak için hidroksil iyonlarıyla reaksiyona girer.

c-Düğme pil

Birçok düğme pil (kuvars saatler ve işitme cihazları gibi yerlerde yaygın olarak kullanılır), normal alkalilerle aynı şekilde çalışır; bazıları ise lityum ve organik elektrolitler kullanır ve farklı kimyasal reaksiyonlarla çalışırlar. Bir düğme hücresine yakından baktığınızda, üst orta bölümün çinko veya lityumdan yapılmış negatif elektrodu oluşturduğunu göreceksiniz. Dış kasa ve taban, tipik olarak manganez oksit, gümüş oksit veya bakır oksitten yapılan pozitif elektrotu oluşturur.

2-Sekonder piller

Şarj edilebilen pillerdir. Normal akış yönünün tersi yönde bir akım geçirilerek yeniden şarj edilebilirler. Örneğin cep telefonunuzu şarj ederken pili aslında tersten çalıştırıyorsunuzdur.

a-Kurşun asit piller

Yani arabalarınızda olan aküler… Kurşun asitli aküler, 19. yüzyılın ortasından beri kullanılmaktadır. Toplamda 12 volt değerinde, her biri 2 volt üreten altı ayrı hücreye sahiptirler. İndirgenmiş her bir hücrede, bir “süngerimsi” kurşun metal elektrot (negatif), kurşun dioksit elektrot (pozitif) ve bir sülfürik asit elektroliti bulunur. Akü boşaldıkça, her iki elektrot kurşun sülfat ile kaplanır ve sülfürik asit büyük ölçüde suya dönüştürülürken elektronlar güç sağlamak için dış devre etrafından akar. Kurşun asitli aküler, arabaları bir el krankı yardımı olmadan çalıştırmayı mümkün kılmıştır. Normalde yeniden şarj etmeniz gerekmez; çünkü otomobiliniz bunu otomatik olarak yapar. Otomobilin motorunun çalışmasına yardımcı olmak için akü boşalır ve motor, alternatör adı verilen bir cihaz üzerinden elektrik enerjisi üretmeye başladığında şarj olur. Dezavantajları gelince, kurşun-asit bataryalar nispeten büyüktür, oldukça ağırdır.

b-Nikel kadminyum piller

Oyuncaklar, el fenerleri ve elektrikli el aletleri gibi şeylerde tek kullanımlık 1,5 voltluk pillerin yerine kullanılırlar. Tek farkları şarj edilebilir olmalarıdır. Çok güvenilir olmasına rağmen, NiCd pillerin şarj edilmeden önce tamamen boşaltılması gerekmektedir. Aksi takdirde depolayacakları şarj miktarı ve etkin kullanım ömrü büyük ölçüde azalabilir. NiCd pillerle ilgili diğer bir problem ise içerdikleri toksik kadmiyum metaldir. Çöpe atıldıklarında, kadmiyum toprağa sızabilir ve yakındaki su yollarını kirletebilir.

c-Nikel-metal-hidrit (NiMH)

Nikel metal hidrit piller benzer şekilde çalışır, ancak “hafıza etkisi” denilen durumdan daha az etkilenir. 1990’larda, kısmen kadmiyumun çevresel etkileri nedeniyle Nikel kadminyum pillere bir alternatif haline gelmişlerdi. NiMH piller daha hızlı bir şarj ile doldurulmuş olan cep telefonları gibi aygıtlarda daha etkili çalışır.

d-Lityum iyon piller

Lityum-iyon piller günümüzde en hızlı büyüyen şarj edilebilir tipte pillerdir. Cep telefonunuzda, MP3 çalarınızda ve dizüstü bilgisayarınızda muhtemelen lityum-iyon bataryalar vardır. Lityum kolayca iyon oluşturan hafif bir metaldir, bu yüzden pil yapmak için mükemmeldir. En yeni lityum-iyon piller, geleneksel Nikel kadminyuma oranla yaklaşık iki katı kadar enerji depolayabilir, daha yüksek voltajlarda çalışabilir ve daha çevre dostu olabilirler. Ancak uzun süre dayanmazlar. Buna rağmen, yüzlerce kez şarj edilip boşaltılabilirler, bu nedenle elektronik cihazlarda kullanım için mükemmeldirler.

Bir cep telefonunu veya dizüstü bilgisayarı güç kaynağına taktığınızda, içindeki lityum-iyon pil kimyasal aktivite ile dolmaya başlar. Pilin işi mümkün olduğunca çabuk ve fazla elektrik depolamaktır. Bunu, bataryanın bir kısmından diğerine lityum iyonlarını (elektronu pozitif olarak yüklenmek üzere kaybetmiş lityum atomları) örten kimyasal bir reaksiyonla yapar. Gücü prizden çıkardığınızda ve dizüstü bilgisayarınızı ya da telefonunuzu kullandığınızda, batarya ters mantıkta hareket eder. İyonlar ters yönde hareket eder ve batarya yavaş yavaş şarjını kaybeder.

Pil nasıl yapılır?

Aşağıdaki videoda bozuk paradan nasıl pil yapıldığını görebilirsiniz:

Pili kim keşfetmiştir?

Pil, İtalyan fizikçi Alessandro Volta tarafından 1800 yılında keşfedilmiştir.  İlk pratik batarya olan Voltaik pil kartonla ayrılmış ve tuzlu suya batırılmış çinko ve gümüş diskleri biriktirerek yapılmıştır.

Şimdi de pilin tarihine kısa bir göz atalım:

• M.Ö. 250 M.S. 224: Bazı tarihçiler, ilk bataryanın bu yıllarda keşfedildiğini iddia etmektedir. 1930’larda Bağdat yakınlarında bir kil kavanozunun içerisinde demir ve bakır parçaları (elektrotlara benzeyen) bulunmuştur. Bu keşif hala yaygın olarak “Bağdat Bataryası” veya “Pers Bataryası” olarak adlandırılsa da bazı tarihçiler aslında bir elektrik akımı üretip üretmediğinden şüphe ediyorlar.
• 1744: Ewald Georg von Kleist (1700–1748), elektrik yükünü depolayacak hem iç hem de dış yüzeylerde metal folyoya sahip bir cam kap olan ”Leyden Kavanozu” nu icat etti. Bu cihaz her ne kadar gerçekten bir kapasitör ( statik elektrik depolamak için bir cihaz) olmasına rağmen, modern bir batarya ile aynı amaca hizmet etmektedir. Taşınabilir bir elektrikli enerji deposu.
• 1749: ABD devlet adamı ve mucit Benjamin Franklin (1706-1790) birbirine bağlanan bir dizi kapasitöre atıfta bulunmak için “pil” terimini kullanmıştır
• 1800: İtalyan fizikçi Alessandro Volta (1745-1827) ilk pratik batarya olan Voltaik pili icat etti. Pil kartonla ayrılmış ve tuzlu suya batırılmış çinko ve gümüş diskleri biriktirerek yapılmıştır.
• 1836: İngiliz kimyager John Daniell (1790-1845), daha güvenilir bir batarya olan Daniell hücresini icat etti.
• 1859: Fransız doktor Gaston Planté (1834-1889) dünyanın ilk şarj edilebilir kurşun-asit bataryasını geliştirdi.
• 1868: Başka bir Fransız, Georges Leclanché (1839-1882), modern çinko-karbon pilini geliştirdi.
• 1949: Kanadalı kimya mühendisi Lewis Urry (1927–2004) Eveready Battery şirketi için alkalin ve lityum pilleri icat etti.
• 1970’ler: İngiltere’de Oxford Üniversitesinde çalışırken, Alman doğumlu Amerikalı kimyager John B. Goodenough (1922–) ve meslektaşları lityum-iyon pillerin arkasındaki bilimi anlamışlardır. Teknolojiyi kullanan ilk ticari piller, 1990’larda Sony tarafından geliştirilmiştir.
• 2017: John B. Goodenough, gelecekte lityum iyon teknolojisinin yerini alabilecek lityum veya sodyum camı esas alan bir bataryayı patentlemiştir.