Günümüzde enerji depolama alanında birçok farklı akü teknolojisi ortaya çıkmıştır. Gelişen teknolojiler ile birlikte birçok farklı uygulamanın enerji yoğunluğu, güç yoğunluğu, çevrim ömrü, güvenlik, sıcaklık hassasiyeti, maliyet ve çevresel etkiler gibi faktörler üzerinde meydana çıkardığı özel gereksinimler, akü teknolojilerindeki farklılaşmanın temel sebebi sayılabilir. Örneğin bir kalp pilinin son derece güvenilir ve uzun ömürlü olması gerekirken, bir elektrikli otomobil bataryasının yüksek enerji ve güç yoğunluğuna sahip olması gerekir. Bu nedenle, farklı akü teknolojilerinin talep gördüğü farklı uygulamalar vardır.
Mullinix GE Serisi AGM Jel Akü
Mullinix GE serisi ile sunulan AGM Jel akülerde AGM seperatör ve yüksek kalay alaşımı pozitif plaka ile birlikte Kolloidal Silika Jel elektrolit kullanılmaktadır. Bu üçlü kombinasyon GE serisini performans olarak diğer AGM veya diğer jel akülerden ayırmaktadır.
Bu blog yazımızda, günümüzde yaygın olarak kullanılan akü çeşitlerine ve kullanım alanlarına değineceğiz. Ancak öncesinde akülerin çalışma prensibi ile ilgili fikir sahibi olmak, akü çeşitlerini incelerken, akü kimyalarını daha iyi anlamamıza yardımcı olabilir.
Akü Çalışma Prensibi
Bir akünün çalışma prensibinin temelini, elektronların bir maddeden diğer bir maddeye aktarılmasını içeren elektrokimyasal süreçler oluşturur. En basit anlatımı ile bir akü, deşarj sırasında kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür ve bu enerji elektrikli cihazlara güç sağlamak için kullanılır. Şarj esnasında ise elektrik enerjisi tekrar kimyasal enerjiye dönüştürülür. Bu elektrokimyasal süreçlerin gerçekleşmesinde, akülerin sahip olduğu üç bileşen önemli rol oynar:
Elektrotlar: Elektrotlar, akünün içinde elektrik enerjisini kimyasal enerjiye veya kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren reaksiyonların meydana geldiği yüzeylerdir. Bir aküde genellikle iki tür elektrot bulunur: Anot ve Katot. Anot, deşarj sırasında oksidasyon reaksiyonunun gerçekleştiği, yani elektronların dış devreye verildiği negatif olarak kabul edilen elektrottur. Katot ise, deşarj sırasında indirgenme reaksiyonunun, yani dış devreden gelen elektronların kabul edildiği pozitif elektrottur. Örnek vermek gerekir ise; Lityum-İyon akülerde anot genellikle grafit malzemeden, katot ise genellikle lityum kobalt oksit veya lityum demir fosfat gibi malzemelerden yapılır.
Elektrolit: Akülerde elektrolit, elektrotlar (anot ve katot) arasında iyonların hareketini sağlayarak elektrokimyasal reaksiyonların gerçekleşmesine olanak tanıyan bir iletken maddedir. Elektrolit, akünün içinde elektrik yükünü taşıyan iyonların dolaşımını sağlar ve böylece enerji üretimi veya depolanması mümkün olur. Sulu kurşun-asit akülerde elektrolit olarak sıvı halde sülfürik asit ve su karışımı kullanılırken, lityum-iyon akülerde organik sıvı halde lityum tuzları kullanılabilir.
Seperatör: Anot ve katot elektrotları arasında yer alan, elektrotların birbirine temasını (kısa devreyi) önleyen ve aynı zamanda elektrolit içinde iyonların geçişine izin veren ince bir yalıtkan malzemedir. Polietilen (PE), polipropilen (PP) ve cam elyaf gibi malzemelerden yapılan seperatörler akülerde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Akülerde Genel Şarj ve Deşarj Reaksiyonu
Akülerde Deşarj Reaksiyonu
Akülerde deşarj reaksiyonu, akünün kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürdüğü süreçtir. Bu süreçte, anot ve katot elektrotlarında elektrokimyasal reaksiyonlar gerçekleşir; iyonlar elektrolit içinde hareket ederken, elektronlar dış devre üzerinden akarak bir yükü (örneğin bir motor veya lamba) çalıştırır. Deşarj reaksiyonu akü türüne göre farklılık gösterir, ancak genel prensip aynıdır ve aşağıdaki gibi özetlenebilir:
→ 1. Anotta Oksidasyon: Anot (negatif elektrot), elektronları dış devreye verir (oksidasyon reaksiyonu). Bu süreçte anot malzemesi kimyasal olarak değişir ve genellikle iyonlar oluşturur.
→ 2. Katotta İndirgenme: Katot (pozitif elektrot), dış devreden gelen elektronları alır (indirgenme reaksiyonu) ve elektrolitten gelen iyonlarla reaksiyona girer.
→ 3. İyon ve Elektron Hareketi: Elektronlar dış devre üzerinden anottan katota doğru akarken, genellikle pozitif olan iyonlar, elektrolit içinde anottan katota doğru hareket eder.
Akülerde Şarj Reaksiyonu
Akülerde şarj reaksiyonu, deşarjın tam tersi bir süreçtir. Bu süreçte, aküye dışarıdan elektrik enerjisi uygulanarak kimyasal reaktifler yeniden oluşturulur ve akü enerji depolayacak hale getirilir. Şarj sırasında elektrokimyasal reaksiyonlar, deşarjın tersine işler: anot ve katottaki reaksiyonlar tersine döner, iyonlar ve elektronlar zıt yönde hareket eder. Genel prensip olarak şarj reaksiyonu aşağıdaki gibi özetlenebilir:
→ 1. Dış Kaynaktan Enerji Uygulanması: Şarj cihazı veya başka bir güç kaynağı, aküye elektrik enerjisi sağlar. Bu enerji, akünün pozitif ve negatif kutuplarına uygulanır.
→ 2.Anotta İndirgenme: Şarj sırasında anot (negatif elektrot) elektron alır ve indirgenme reaksiyonu gerçekleşir. Deşarjda okside olan malzeme, şarj sırasında tekrar orijinal haline döner.
→ 3. Katotta Oksidasyon: Katot (pozitif elektrot) elektron verir ve oksidasyon reaksiyonu gerçekleşir. Deşarjda indirgenen malzeme, şarj sırasında tekrar oksitlenir.
→ 4. İyon ve Elektron Hareketi: Elektronlar, dış devrede katottan anota doğru zorlanır (şarj kaynağı tarafından). İyonlar, elektrolit içinde katottan anota doğru hareket eder (deşarjın tersi yönde).
→ 5. Sonuç: Akü tekrar enerji depolayarak kullanılabilir hale gelir.
Akülerde Enerji Yoğunluğu
Akülerde enerji yoğunluğu (energy density), bir akünün birim kütle veya birim hacim başına depolayabildiği enerji miktarını ifade eden bir kavramdır. Bu, akünün ne kadar enerjiyi ne kadar küçük bir alanda veya ağırlıkta saklayabildiğini gösterir ve akü performansını değerlendirmek için kritik bir ölçüttür. İki temel şekilde ölçülür:
→ 1. Özgül Enerji Yoğunluğu (Wh/kg: Watt-saat/kilogram): Birim kütle başına depolanan enerjiyi ifade eder. Örneğin, 200 Wh/kg değeri, 1 kg'lık bir akünün 200 watt-saat enerji depolayabildiği anlamına gelir. Daha yüksek Wh/kg, akünün daha hafif olduğu anlamına gelir; bu, taşınabilir cihazlar ve elektrikli araçlar için önemlidir.
→ 2. Hacimsel Enerji Yoğunluğu (Wh/l: Watt-saat/litre): Birim hacim başına depolanan enerjiyi ifade eder. Örneğin, 500 Wh/L değeri, 1 litrelik bir akünün 500 watt-saat enerji depolayabildiği anlamına gelir. Daha yüksek Wh/L, akünün daha az yer kapladığı anlamına gelir; bu, kompakt tasarımlar için önemlidir.
Günümüzde Yaygın Akü Çeşitleri
Kurşun Asit Aküler
En eski ve yaygın akü çeşitlerinden biridir. Düşük enerji yoğunlukları ve ağırlıklarına rağmen, düşük maliyetleri olmaları tercih edilmelerinin ana sebeplerindendir. Yenilenebilir enerji depolama, yedek güç kaynakları (UPS), otomotiv sektöründe starter aküler yaygın kullanıldıkları uygulamalardır. Sulu, AGM, Jel, VRLA, Derin Döngü ve Marş (starter) aküleri gibi farklı kullanım alanlarına ve ihtiyaçlara göre kendi içerisinde çeşitlere ayrılır.
Kurşun asit aküler, ortalama olarak 30-40 Wh/kg arası özgül enerjiye ve 70-100 Wh/l arası değişen hacimsel enerji yoğunluğuna sahiptirler.
Nikel-Metal Hidrit (NiMH) Aküler
Nikel-Metal hidrit akü kimyası, yaygın olarak AA ve AAA tipi pillerde, ilk kuşak tam elektrikli araçlarda ve bazı hibrit elektrikli araçlarda karşımıza çıkar. NiMH akü çeşitleri lityum-iyon akülere göre daha düşük enerji yoğunluğuna sahiptir.
Nikel-Metal Hidrit aküler, ortalama olarak 60-80 Wh/kg arası özgül enerjiye ve 140-200 Wh/l arası değişen hacimsel enerji yoğunluğuna sahiptirler.
Lityum-İyon (Li-ion) Aküler
Günümüzde en popüler akü türlerinden biridir. Hafif, yüksek enerji yoğunluğuna sahip ve uzun ömürlüdür. Akıllı telefonlar, dizüstü bilgisayarlar, elektrikli araçlar ve enerji depolama sistemlerinde sıkça kullanılır. Ancak maliyeti yüksektir ve aşırı şarj veya hasar durumunda güvenlik riskleri (örneğin yangın) taşıyabilir. Tesla elektrikli araçlarda kullanılması ile popüler hale gelen Lityum Nikel Manganez Kobalt Oksit (NMC) akü, yaygın türlerinden bir tanesidir.
Lityum-İyon (Li-ion) aküler, ortalama olarak 150-250 Wh/kg arası özgül enerjiye ve 400-600 Wh/l arası değişen hacimsel enerji yoğunluğuna sahiptirler.
Lityum Demir Fosfat (LifePO4) Aküler
Lityum-iyon akülerin bir alt türüdür. Daha güvenli, daha uzun ömürlü ve termal olarak daha stabildir. Genellikle elektrikli araçlar, güneş enerjisi depolama sistemleri ve yüksek güvenlik gerektiren uygulamalarda tercih edilir. Ancak enerji yoğunluğu standart lityum-iyon akülere göre biraz daha düşüktür.
Lityum Demir Fosfat (LifePO4) aküler, ortalama olarak 90-120 Wh/kg arası özgül enerjiye ve 200-300 Wh/l arası değişen hacimsel enerji yoğunluğuna sahiptirler. Diğer Lityum-İyon akülere göre daha düşük enerji yoğunluğuna sahip olsalar da güvenlik ve uzun ömür açısından avantajlıdır.
Katıl Hal (Solid State) Aküler
Geleneksel sıvı elektrolit yerine katı elektrolit kullanan yeni nesil bir teknolojidir. Daha yüksek enerji yoğunluğu, daha uzun ömür ve güvenlik sunar. Elektrikli araçlar ve taşınabilir cihazlar için geleceğin teknolojisi olarak görülür, ancak henüz yaygın değildir ve üretim maliyetleri yüksektir.
Katıl Hal aküler veya bataryalar ortalama olarak 300-400 Wh/kg arası özgül enerjiye ve 600-1000 Wh/l arası değişen hacimsel enerji yoğunluğuna sahiptirler. Henüz tam anlamıyla yaygınlaşmamış olsa da, gelecekte elektrikli araçlarda devrim yaratması beklenmektedir.
Çinko-Hava (Zinc-air) Aküler
Çinko ve oksijeni kullanarak enerji üretir. Genellikle işitme cihazları gibi küçük cihazlarda kullanılır. Hafiftir ve yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir, ancak şarj edilebilirlikleri sınırlıdır ve ömürleri diğer akülere göre daha kısadır.
Çinko-Hava aküler ortalama olarak 300-400 Wh/kg arası özgül enerjiye ve 600-800 Wh/l arası değişen hacimsel enerji yoğunluğuna sahiptirler.
Farklı Akü Çeşitlerinin Özgül ve Hacimsel Enerji Yoğunlukları
Sonuç Olarak
Kurşun-Asit Aküler, ekonomik ve yaygın bir seçenek olup araçlar ve yedek güç sistemlerinde kullanılır, ancak düşük enerji yoğunluğu ve bakım ihtiyacı dezavantajdır. Nikel-Metal Hidrit (NiMH) Aküler, hibrit araçlar ve elektronik cihazlar için uygun, orta düzey enerji yoğunluğu sunar, fakat lityum-iyon kadar verimli değildir. Lityum-İyon Aküler, yüksek enerji yoğunluğu ile akıllı telefonlardan elektrikli araçlara kadar geniş bir kullanım alanına sahiptir; Lityum Demir Fosfat (LiFePO4) varyantı ise daha güvenli ancak biraz daha az yoğunluktur. Katı Hal Aküler, geleceğin teknolojisi olarak öne çıkar, ancak henüz yaygın değildir. Çinko-Hava Aküler, yüksek enerji yoğunluğu sunar, ancak şarj edilebilirlikleri kısıtlıdır ve daha çok tek kullanımlık uygulamalarda kullanılır. Her akü türü, enerji yoğunluğu, güvenlik, maliyet ve kullanım ömrü arasında bir denge sunar; seçim, kullanım amacına göre yapılmalıdır.
Mullinix MXC Serisi Tam Sinüs Şarjlı (UPS) Power İnverter
Kompakt tasarımı, Soft Start ve otomatik UPS modu sayesinde MXC serisi Mullinix şarjlı power inverter yüksek verimlilik ve düşük statik akım sunar.