Nİ-CD PİLLER HAKKINDA GENEL BİLGİLER 

Batarya Tarihi :
    İlk pratik olarak kullanılabilen pil günümüzden 200 yıl önce Alessandro Volta tarafından yapılan  gümüş-çinko pildir. Voltanın bu keşfinden kısa bir süre sonra Johann Wilihelm Ritter ilk şarjlı pili buldu. Ancak jeneratörlerin gelişmesi ve şarj cihazlarının olmaması  tekrar doldurulabilir pillerin gelişmesini olumsuz etkiledi. Bundan sonraki önemli adım ise 60 yıl sonra George Leclanche'nin karbon-çinko pili bulmasıdır. Bugün kullandığımız pillerin atası budur.

İlk Kurşun-Asit Bataryalar :
         Aynı yıllarda Plante kurşun asit piller üzerine çalışıyordu.Onun bu çalışmaları Hawker Energy Products'ın çalışmalarına çok benziyordu.gelecek 20 yıllık zamanda Faure ve diğerleri bunları geliştirecek ve günlük kullanıma başlanacaktır.Daha sonra otomobil sanayiinde kullanımıyla iyice gelişecektir.

İlk Nikel-Kadmiyum Bataryalar :
   Nikel elektrot ve Alkalin sistemler kurşun asit bataryalardan 30 yıl kadar daha sonra ortaya çıkmaya başladı.
Edison 1890 yılında şarj edilebilir alkalin pili yaptı. İsveçli araştırmacı Waldmar Jungner ilk küçük Nikel-Kadmiyum pili yaptı. 
İkinci Dünya savaşı sırasında almanlar hafif ve  kapasitesi yüksek NiCd pilleri havacılık sanayiinde kullanmak amacı ile geliştirdiler. Avrupalı araştırmacılar ilk gerçek anlamdaki NiCd pili 1950 yılında geliştirdiler.

Temel Batarya Teknolojisi :
     Bataryalar elektrik enerjisini depo eder.Batarya terimi bir adet üniteyi temsil eder. Ancak bu ünite içinde bir ya da birden fazla hücre (cell ) bulunabilir.
Celller bataryanın yapı taşlarıdırlar.Bataryalar genellikle birden fazla hücrenin birleşmesinden oluşur. 
Her batarya 3 temel öğeden oluşur. 
Anot (pozitif kutup),Katot (negatif kutup) ve kimyasal reaksiyonu sağlayan elektrolittir.
Diğer anlamda elektrolit elektrik enerjisini depolayan ve geri veren kısımdır.

İdeal Batarya :
   İdeal bataryada aşağıdaki özellikler olmalıdır.
1. Yüksek enerji yoğunluğu olmalıdır.
2. Taşınabilir ve çevre şartlarına dayanıklı olmalıdır.
3. Uzun ömürlü olmalıdır.
4. Emniyetli olmalıdır.
5. Uygulama yeri için esneklik sağlamalıdır.
6. Şarj edilebilir olmalıdır.

Batarya Tipleri :
Bataryalar şarj edilemeyen ve şarj edilebilen tip diye ikiye ayrılır.
Şarj edilemeyenler bir kere kullanıldıktan sonra tekrar kullanılmazlar.
Şarj edilebilen bataryalar binlerce kez şarj edilip tekrar kullanılabilir.

Şarj Edilemeyen Bataryalar :
       Şarj edilemeyen bataryaların birçok tipleri vardır. En yaygın olanı çinko-karbon olanlarıdır. 
En önemli yanları ucuz olmalarıdır. 
Alkalin-manganez bataryalar günümüzde bu pillerin yerini yüksek kapasiteleri nedeniyle almışlardır.
Cıva-çinko ve çinko-kadmiyum bataryalar ise saatlerde, tıp alanında, işitme cihazlarında çok kullanıldılar. 
Ancak çevreyi çok kirletmeleri yüzünden diğer bataryalarla değiştirildiler. Hava-çinko bataryalar düşük güçlü uygulamalar için özellikle modern işitme cihazları ve tıbbi cihazlar için  çok kullanıldılar. 
Ayrıca şarj edilebilir hava-çinko bataryalar gelişim sürecindedirler.
Termal bataryalarda şu anda askeri ve bilimsel alanlarda kullanılmaktadır.
Bunların yanında birçok batarya çeşidi olmasına rağmen Lithium bataryalar ön plana çıkmıştır.  Her boydaki lithium piller günümüzde mikro elektronik güç uygulamalarında aratan oranda kullanılmaktadır.

Şarj Edilebilir Bataryalar :
     Şarj edilebilir bataryalar 3 tipte üretilir.
Birincisi otomobillerde kullandığımız ve akü dediğimiz açık tip bataryalardır. Atmosfere açık olan bu bataryalar kullanım sırasında atmosfere hidrojen gazı verirler ve bu yüzden su azaldığı için suya ihtiyaç duyarlar. Bakım istemeyen bataryalarda sadece elektrolit fazla olup bu yüzden servis ömürleri boyunca bakım istemezler.

İkinci tip şarjlı bataryalar yarı açık yada yarı kapalı bataryalardır.
Bu tip bataryalarda kullanılan elektrolitlerde atmosfere gaz salarlar.
Ancak bu tip bataryaların elektrolitleri jel türündedir. 

Üçüncü tip bataryalar tamamen kapatılmış (sealed) bataryalardır.
Kapalı tip bataryalar normal olarak çıkan gazı atmosfere vermezler.
Bu teknoloji sealed Ni-Cd ve Sealed Lead bataryalarda kullanılır.

Voltaj:
 Bataryanın voltaj değeri bataryanın yapımında kullanılan  materyallere bağlıdır. Toplam voltaj anottaki oksidasyona ve katottaki potansiyel düşüşün toplamına eşittir. Anot pozitif katot negatiftir.Katot ve anotta kullanılan malzemeler bataryanın voltajını etkiler. Kadmiyum anoda  ve nikel katoda sahip pillerde bu voltaj 1.2 volttur.

Depolanmış Enerji :
      Depolanmış enerji demek bataryada ne kadar aktif malzeme kullanıldığıdır.
Bu depolanmış enerji kapasiteyi belirler ve amper/saat olarak bataryanın boşalırken verdiği akımı ve bu akımı ne kadar süre verdiğini gösterir. 
Amper/saat oranı bataryaların kapasitesinin karşılaştırılması için kullanılır.
Fakat bu karşılaştırma sadece aynı kimyasal sistemi kullanan bataryalar için geçerlidir. Değişik kimyasal sistem kullanan bataryalar kapasite kadar ağırlık verdiği akım miktarı ile de karşılaştırılmalıdır. Bu noktadan sonra sık sık "C" yada "C oranı" nı bataryaların doldurma ve boşaltma oranını belirtirken kullanacağız.
Bu "C" oranı rakamsal olarak kapasite oranına eşittir. Batarya "C" oranında boşalırken batarya minimum kapasitede "C" oranında bir saatte boşalmalıdır.

Yani 500 miliampersaatlik bir batarya bir saat boyunca 500 miliamper vererek boşalmalıdır. Bazı NiCd batarya üreticileri bataryaların kapasite oranını bir ya da daha fazla saat olarak vermektedir.bazıları her iki oranı da vermektedir.

Birkaç örnek daha verelim.
Bir saatte 0.25c oranında boşalan  bir bir batarya bu oranda 4 saat akım vermelidir. (600 miliamper7saatlik pil 150 miliamper ile 4 saatte boşalmalı) 
0.1C oranı ile boşalan bir batarya ise 10 saat bu akımı vermelidir.
(60x10=600 miliamper) 

NiCd Pilleri Elektro Kimyasal Yapıları :
          NiCd pillerin elektro kimyasal yapısı kısaca şöyledir.
Elektrotların fiziksel yapısını değiştirmeden üzerindeki aktif maddelerin oksidasyonla değişmesidir. Elektrotlardaki aktif maddeler alkalin elektrolit içersinde çözünmezler ve katı olarak kalırlar.
Bu NiCd pillerin neden uzun ömürlü olduğunun açıklamasıdır.
Çünkü kimyasal reaksiyon sonunda eksilen yada kaybolan aktif madde yoktur.
Diğer önemli bir nokta ise NiCd pillerin tamamen deşarj oluncaya kadar voltaj değerini korumasıdır. 
NiCd pillerde nicel oxyhydroxide (NİOOH) pozitif levha üzerine depolanmış edilmiş aktif maddedir. Deşarj olurken depolanmış oxyhydroxide üzerinden geçen akım sebebiyle elektron alarak düşük seviyelere doğru azalır (NİOH)2 
Kadmiyum metal (Cd) ise negatif tabaka üzerine depolanmış aktif maddedir.
Deşarj olurken cadmium hydroxide ile oksidasyona girerek Cd(OH)2  elektron salar. 
Böylece elektrik akımı oluşur. Pil şarj olurken bu sistem tersine döner.
Böylece pil başlangıçtaki voltaj ve kapasite değerine ulaşır yani dolar.

Reaksiyonun oluştuğu elektrolit potasyum hidroksitdir.(KOH).su içersinde yaklaşık %32 oranında çözülmüştür.
Batarya aşırı şarj edildiğinde pozitif elektrotta oksijen gazı üretilir.
Fakat NiCd piller sızdırmazlığı sağlanmış ve bu oksijeni içinde tutacak şekilde dizayn edilmiştir. 
NiCd pil yavaş yavaş şarj edilirken bu oksijeni kapasitesini kaybetmeyecek şekilde içinde barındırır. 
Bu pozitif levhanın tam şarjlı olduğu durumda negatif levhanın tam şarj olmamış durumda olduğu bir şekilde pillerin imal edilmesi ile sağlanır. Pozitif ve negatif levha incelendiğinde negatif levhanın pozitif levhadan daha büyük olduğu görülür. Fazla oksijen gözenekli (gaz geçirgen) seperatörden geçerek negatif levhanın aktif yüzeyine ulaşarak burada gaz formundan hydroxyl ion formuna dönüşür.
Bu hydroxyl ionları tekrar geri pozitif levhaya hareket ederek akımı tamamlar.
Eğer batarya emniyetli bir şekilde çalışacak dizaynını aşan düzeyde aşırı şarj edilirse ortaya çıkan fazla oksijen gazı pil üzerindeki emniyet venti açılarak atmosfere serbest bırakılır.

Bataryaların Yapısı :
Nikel kaplanmış yuvarlak çelik gövdenin içine (negatif kutup) yerleştirilmiş yuvarlak çubuk ve bu çubuğa bağlı bir kapaktan (pozitif kutup)  oluşur.pozitif çubuğun etrafı gözenekli (gaz geçirgen) naylon yada yüksek sıcaklıklarda çalışacak pillerde polyproplene ile kaplanmıştır. Bu pozitif ve negatif levhaları birbirinden yalıtır. Ayrıca kimyasal reaksiyonun oluştuğu elektroliti barındırır. Bu arada aşırı şarj sonucu ortaya çıkan oksijen gazını serbest  bırakmak için çeşitli şekillerde yapılmış ve kapak üzerinde bulunan vent sistemleri mevcuttur. Bu vent sistemi aşırı şarj nedeniyle ortaya çıkan oksijeni atmosfere serbest bırakarak pilin emniyetli bir şekilde çalışmasını  sağlar.

Şarj Etme :
NİCd piller uygun polarizasyonda elektrik akımı verilerek direkt olarak şarj edilirler. Bu şarj akımı direkt doru akım, tam yada yarı doğrultulmuş alternatif akım yada diğer doğru akım veren kaynaklardan olabilir. 

Bir NiCd pil 0.02C kadar (kapasitesinin %2 si) bir değerde şarj edilmelidir. 
Ancak günümüzde ticari olarak kabul edilen değer 0.05C'dir. 

Şarj oranı 20C kadarda olabilir.Fakat aşırı şarj edilmemesine dikkat  edilmelidir.

Ancak pratikte şöyle tanımlama yapılmıştır. 
Bir pil tam olarak 1 saatte yada daha az sürede şarj ediliyorsa hızlı şarj, 
1 saatten 14 saate kadar şarj ediliyorsa çabuk şarj,
14 ila 16 saat arasında şarj ediliyorsa yavaş (overnight) şarj diye adlandırılır.
Şarj  zamanlarını şarj oranlarına çevirirsek 0.05C'den 0.1C'ye kadar yavaş, 0.2C'den 0.5C'ye kadar çabuk C ve üzeri oranlara ise hızlı şarj denir.

Yavaş ve çabuk şarj cihazları günümüzde basit ve ucuz olduğun için çok 
kullanılmaktadır. Ayrıca şarj cihazları yüksek ve düşük oranda şarj için özel elektronik devre istemez. Şarj edilebilir piller kendi ihtiyacına göre alacağı akım miktarını ayarlar. Ayrıca günümüzde çoğu pil aşırı şarjda pili korumak için  negatif plaka pozitif plakanın ürettiği fazla oksijeni absorbe edecek şekilde yapılmıştır.
Bu arada yüksek oranlarda şarj yapılırken ortaya çıkan bir diğer önemli faktör ise ısınmadır.

Şimdi bir pil yüksek oranda şarj olurken voltaj,ısı ve basınç değerlerini inceleyelim.
Batarya basıncı şarj zamanının çoğunda düşük seviyededir ve pil tam şarja yaklaştığında yükselir. Yüksek basıncın sebebi oksijen gazıdır. 
Aşırı şarj edilen pilin içersinde çıkan oksijen gazı sebebiyle basınç artar.
Bu arada negatif plaka üzerinde oksijenin hydroxyl ionuna çevrilmesi sırasında ısı ortaya çıkar. Böylece pilin ısısı artar, artan ısı içerideki gazı genleştirerek basıncın daha da artmasına sebep olur. 
Yüksek basınç ve ısı özellikle sızdırmazlığı sağlayan elemanlara zarar verir. 
Ayrıca dış ortama kaçan oksijen ileri aşamada pile de zarar verecektir. 
Dolayısı ile hızlı ve yüksek orandaki fazla şarj pile zarar verecektir.
Yapılan deneyler emniyetli şarj sıcaklığının maksimum 45 C derece olduğunu tespit etmiştir.

Bazı şarj cihazlarında bu sıcaklığı kontrol eden ve yükseldiğinde şarjı kesen devreler mevcuttur. Bu arada yüksek sıcaklık pillerin tam şarj olmamasına da sebep olmaktadır.
Optimum şarj sıcaklığı oda (23 C) yada daha aşağısında olan sıcaklıklardır.

Kısaca şarja etki eden faktörler aşağıda olduğu gibidir.
1. Şarj için doğru kutuplara doğru akım verilmelidir.
2. Şarj oranları hızlı, çabuk ve yavaş olarak sınıflandırılır.
3. 0.3C şarj değerinin üzerinde yapılan şarjlarda pil tam şarj olduğunda şarj  durdurulmalı yada akımı azaltılmalıdır.
4. Şarj olayı bataryanın şarj edilebilirliğinin ölçüsüdür.Şarjın etkinliği şarj oranına ve sıcaklığa bağlıdır.

Deşarj :
NiCd pillerin deşarj karakteristikleri şöyledir.NiCd piller boşalırken voltaj değerlerinde deşarj sonuna kadar bir değişme olmaz.Bazı değişkenler pillerin deşarjına etki eder.bunlar kısaca şöyledir.
1. Deşarj oranı.
2. Deşarj süresi.
3. Deşarjın derinliği.
4. Batarya şarj edilirken,kullanılmazken ve deşarj olurken sahip olduğu sıcaklık.
5. Şarj ve overşarj oranı.
6. Şarj süresi,şarjdan sonra ne kadar beklediği.
7. Daha önceki dönemlerde pilin maruz kaldığı etkiler.

Her NiCd pilin belirlenen oranda kapasitesi, deşarj voltajı ve efektif direnci vardır.Tek bir pil 1.2 volt ile sınırlandırılmıştır ve bunun katları olarak değer alır.5 Tane pil seri bağlandığında 6 volt gerilim sağlar.

Deşarj voltajı 1.2 volttur ve zaman zaman deşarj voltajı 1.2 voltu geçmektedir. Çoğu üretici ürettikleri pillerin kapasitesini yeni ve tam şarj edilmiş pillere göre verir.Pratikte pil kapasitesi için kabul edilen değer amper/saat (yada miliamper/saat) ve 0.9 volta bir saatte düşünceye kadar verdiği akım değeridir.

Isının Voltaja Etkisi :
Pilin kapasitesine ısının nasıl etki ettiğine bakalım.Isı arttıkça pilin voltajı düşer. Voltaj düştükçe vereceği akımda azalır.Dolayısı ile düşük sıcaklıklardaki pilin kapasitesi yüksek sıcaklıktaki pile göre daha fazladır. Çoğu üretici firma batarya kapasitesini 23 C derece (oda sıcaklığı) sıcaklıkta hesaplar.

Dahili Direnç :
Pillerin kapasitesine etki eden bir diğer etkende pilin kendisinin sahip olduğu iç dirençtir. Bu iç direnç pilin vereceği maksimum akımı belirler.Bu değer ne kadar düşük olursa pil o oranda yüksek akım verir. Bu arada pillerin şarjı azaldıkça iç dirençleri artar.

Pilleri Kendi Kendine Boşalması (Self deşarj) :
pilin kullanılmadığı zaman kendi kendine boşalmasıdır. Bu deşarj pilin ömrü için zararlı değildir. Bir pil oda sıcaklığında her gün %1 oranında boşalır. Her 10 derecelik sıcaklık artışında da bu oran ikiye katlar.

Voltaj Kesilmesi :
Deşarj sonunda pilin voltajının birden sıfıra inmesidir. NiCD pil kullanılan cihazlarda  voltaj kesilmesi göz önünde tutulması gereken önemli bir konudur. Şimdi tipik voltaj profiline bakalım.Eğer voltaj kesme değeri yüksek ise 
batarya kullanımdadır. Eğer voltaj kesme değeri çok düşük ise yada yoksa çok çabuk şekilde kapasitesi ve ömrü düşer ve pilin kutupları ters döner. 
Tavsiye edilen voltaj kesme değeri deşarj değerine ve kullanım yerini göre 
değişebilir. Voltaj kesme değerinin iyi seçilmesi maksimum kapasite kullanımı sağlar. Seri bağlanmış paket pillerde özellikle hız kontrol ünitelerinde ve fazla akım çekilen yerlerde kullanılan bataryalar yüksek oranda akım kaybederek boşalırlar.
Bu yüksek orandaki deşarj batarya hızla iç direncin deşarj sonuna doğru artması 
sebebiyle kutuplarının ters dönmesine ve pilden hiç akım alınamamasına sebep olur. 
NiCd pillerde deşarj karakteristiği 23 C derece sıcaklıkta 1C yada 5C deşarj değerinde 0.9 Volta kadardır ve C nin nominal voltu 1.2 voltta iken şarj ve deşarj şartları pilin kapasitesine direkt etki eder. NiCd pillerin voltaj eğrisi deşarj boyunca çok doğrusaldır ve kullanım boyunca 1.2 voltta neredeyse sabit kalır ancak deşarj sonuna doğru voltaj çok hızlı bir şekilde düşer. Bunun için kullanım yerine göre piller çok iyi seçilmelidir.

Batarya Ömrü :
Batarya ömrü bir pilin kontrol edilen şartlar altında ne kadar şarj ve deşarj edilebildiğidir. Bir NiCd pil 10 yıl rahatlıkla kullanabilir.
Evet yanlış okumadınız 10 yıl kullanabilirsiniz. Bunun yanında bir NiCd pili 10000 kez kontrol edilen şartlar altında şarj ve deşarj edebilirsiniz. 
Ancak dikkat edin kontrol edilen şartlar altında dedik. 

NiCd piller aynı teknoloji ile üretilir ve uydularda yaklaşık 20 yıl kullanılır.NiCd pillerin ömrüne etki eden faktörler sıcaklık,aşırı şarj şartları ve küçük bir etken olarak da deşarjın tipi derinliğidir. Bu etkenler batarya şarj sayısını ve ömrünü etkiler. NiCd bataryalarda bazen şarj sayısı bataryanın kullanım ömrünü belirler.
Genellikle kapasitesinin % 80 'nini vermeyen piller ömrünü doldurmuş olarak kabul edilir.Pilde ilk meydana gelen arıza seperatörün görev yapmayarak pilin kısa devre olmasıdır. Pil çok kısa bir sürede kendi kendine boşalır.

Bu arada harici olarak kısa süreli meydana kelen kısa devreler pilin sızdırmazlığını sağlayan elemanlara çok zarar verir. Kısacası şarj değeri,aşırı şarj ortam sıcaklığı, deşarj değeri, pillerin kısa sürede olsa kısa devre yapılması ve fiziki olarak zarar görmesi pillerin kullanım ömrüne kısaltır.

Batarya Kutuplarının Ters Dönmesi (Reversal) :
Reversal nedir ? 
Birden fazla pilden oluşan paket piller potansiyel olarak reversal problemiyle karşı karşıyadır. Bu paket pillerden çekilen akımın derinliğine bağlı olarak pillerden bir tanesinin voltajı sıfıra düşebilir.
Eğer deşarj bu noktada devam ederse voltajı sıfıra düşmüş pilin kutupları yer değiştirir. Yani pozitif kutup negatif, negatif kutup pozitif olur.
İşte bu reversaldır. 

Öncelikle pozitif kutup tükenir. Deşarja devam edildikçe kutuplar yer değiştirir. Negatif elektrot pozitif olur ve  voltaj -1.4 volta düşer.
Bu noktada pil içerisinde hidrojen gazı üretilir. Hidrojen oksijen gazı gibi hydroxyl ionuna dönüşmediği için pil içerisindeki basınç artar. Bu basınç sonucu hidrojen gazı dış ortama atılır. Reversala engel olmanın yolu dizayn aşamasında amaca uygun pil seçmektir. Eğer aşırı akım çekilecekse voltaj kesme değeri yüksek piller seçilmelidir. 

Pil Hafızası Yada Voltaj Düşüşü :
Genel inanışın aksine batarya hafızası kapasitedeki kayıp değildir.Batarya hafızası periyodik bir adımdır.

Buna ne sebep olur ?.
Gerçekte iki yol voltaj profilinde bir adıma neden olur. Birincisi çok yavaş tam şarj yapmak ve bundan sonrada sürekli aynı oranda ve sürede pili  tam deşarj yapmaktır. Deşarj mutlaka her deşarjda aynı süre ve akımda olduğu müddetçe bu etki görülür.İkinci ve sık karşılaşılan etki voltaj çöküşü yada diğer adı ile 
batarya hafızasıdır. Buna devamlı olarak overnight oranında (Yavaş şarj) aşırı şarj yapmak sebep olur. Eğer batarya yavaş şarjda uzun süre kalırsa aktif madde üzerindeki kristaller büyür.Kristaller büyüyünce aktif maddenin elektrolitle temas yüzeyi azalır ve bu dahili direncin artmasına sebep olur.Bu arada voltajda düşme
görülür. 

Voltaj adımı aşırı şarj olan bataryanın ne kadar uzun süre şarj olduğuna ve ısısına bağlı olarak değişik zamanlarda meydana gelir.

Eğer aşırı şarj devam ederse voltaj düşmesi batarya daha tam deşarj olamadan görülür.  
Voltaj depresyonu (çökmesi,azalması) etkisi bir yada birkaç normal şarj ve deşarjdan sonra ortadan kalkar.

Günümüzde bataryalarda bu durum çok nadir görülür.

TA2HO
Hilmi OKUR
(internetten derlenmiştir)