Lityum-iyon Piller

Lityum-iyon piller hayatımızda çok geniş bir yer tutuyor ve her geçen gün kullanımı artıyor. Bu pilleri doğru kullanmak için bazı temel bilgilere sahip olmamız gerekiyor. Birkaç başlıkta lityum-iyon pilleri inceleyeceğiz.

1 )Voltaj

Sağdaki görselde gördüğünüz gibi pillerin üzerinde 3.6V, 3.7V gibi değerler yazar. Bu pillerin nominal voltajını gösterir. Lityum-iyon pillerin nominal voltajı 3.6 veya 3.7 volttur. Peki nominal voltaj neden 3.6 veya 3.7 volttur ve ne anlama gelmektedir? Lityum-iyon pillerde nominal voltaj tamamen dolu bir pilin nominal deşarj akımıyla tamamen boşaltıldığında, deşarjdaki ortalama voltajdır. Yani kullanım boyunca alınan ortalama voltajdır.

Yukarıdaki grafik incelendiğinde, tamamen şarj edilmiş 2900 miliamper saatlik bir pil, 580 miliamperle 2.7 volta kadar deşarj edildiğinde ortaya çıkan veriler görülmektedir. Bu grafikten anlaşılacağı üzere, birdenbire bir voltaj düşüşü olmamıştır yani grafik eğrisinde düzenli bir gidiş vardır. Özellikle 3.8V-3.7V-3.6V civarlarında olabildiğince düzenli bir gidiş vardır. Eğim 3.6V-3.7V civarlarında az, 3.5V’dan sonra ise voltaj düşüşü hızlı olmuştur. Bu grafik boyunca ortalama voltaj 3.6V-3.7V civarındadır. Tabii ki bu nominal akımda geçerlidir. Eğer akım çok arttırılırsa voltaj düşüşü daha keskin olacaktır. Kısaca pillerin bir serisini 3.6V olarak kabul edip, ihtiyacınızı ona göre hesaplayabilirsiniz. Örneğin; 3 seri pil ihtiyacınız var ise 10.8V olur, 4 seri pil 14.4V olur.

2-) Bağlantı Şekilleri

Piller, seri bağlanırsa voltaj artar, paralel bağlanırsa kapasite artar.

Pilleri seri bağlarsanız voltaj artar. Yukarıdaki görselde, ilk bağlantıda 3.6V 3400mAh’lık 4 tane pil seri bağlanmıştır. Seri bağlandığında voltaj artacağından 14.4V 3400mAh pil elde edilmiştir.

Pilleri paralel bağlarsanız voltaj sabit kalır ve kapasite artar. Yukarıdaki ikinci görselden de anlaşılacağı üzere, 4 tane pil paralel bağlanmış ve 13600mAh 3.6V pil elde edilmiştir. Hem voltajı hem kapasiteyi arttırmak isterseniz seri ve paralel bağlantı yapabilirsiniz. Yukarıda yer alan son görselde belirtildiği üzere 4 tane pilden 2'si paralel, 2'si seri bağlanmıştır. Sonuç olarak 7.2V 6800mAh pil elde edilmiştir.

3-) Kapasite

Pillerin veya data sheetlerinin üzerinde 2500mAh, 2900mAh, 3500mAh şeklinde kapasiteleri yazar. Bu pilin nominal akımda ve ideal şartlarda sağlayabileceği kapasitedir. Test çalışmalarında pilin kapasitesini ölçmek için herhangi bir akımla test yapılmaz. Tüm dünyada bu iş standartlara bağlanmıştır. Pil tamamen doldurulduktan sonra oda sıcaklığında ve kapasitesinin yüzde yirmisi kadar akımla deşarj edilerek test edilmelidir. Örneğin 3000 miliamper saatlik bir piliniz var ise bu pili 600 miliamper ile deşarj ederek 5 saat çalışmasını beklemelisiniz. Çalışma saatine göre kapasiteyi hesaplayabilirsiniz.

Yukarıdaki görselde bazı piller bulunmaktadır. Dikkat ederseniz bazı pillerin üzerinde kapasite yazarken bazılarında yazmamaktadır. Burada Power-Xtra 2500mAh, 2900mAh piller vardır. Samsung gibi bazı markalar kapasiteyi pilin üzerine yazmaz, onun yerine bir kod yazarlar. Örneğin;  Samsung 26JM modeli 2600mAh bir pilken, Samsung 29E modeli 2900mAh bir pildir. Samsung pillerini kapasiteye göre kısa kodlar vererek adlandırmaktadır. Sony, VTC gibi markalar ise pillerinde sadece VTC5, VTC6 gibi marka/model isimleri belirtmektedir. Bu pillerin detaylarını veri sayfasına (datasheet) bakarak öğrenebiliriz. Bu markalar genelde pilin üzerine kapasite yazmayı pek tercih etmiyorlar, bir kod yazarak müşteriye bu kod ile tüm özellikleri anlatıyorlar. VTC’ de ise kodda kapasite ile alakalı herhangi bir ipucu yoktur.

Yandaki grafikte akıma ve sıcaklığa göre kapasite incelenmiştir. Bu grafik Sony VTC6’ya aittir. VTC6’nın nominal şartlarda en az 3000 mAh kapasite sağlayacağını daha önce belirtmiştik. Grafikte siyah olan eğriye baktığımızda kapasitenin %20’si (yani 600 miliamper) ile deşarj edildiğinde 3000mAh’ın üzerinde kapasite elde edildiğini görmekteyiz. Deşarj akımı arttıkça kapasite doğal olarak azalmıştır. Örneğin grafikte 20 amperde 3000mAh’tan daha az kapasite elde edilmiştir, bu durum oldukça normaldir. İdeal şartlardan ne kadar uzaklaşılırsa kapasite o kadar azalmaktadır.

Yandaki grafikte sıcaklık değerlerine göre inceleme yapılmıştır. Belirttiğimiz gibi oda sıcaklığında ideal kapasite elde edilmiştir. Bu grafik 10 amper ile yapılmış bir test sonucudur. Buna rağmen oda sıcaklığında 3000mAh kapasite elde edilebilmiştir. Ancak sıcaklık -15 derece veya -20 dereceye düştüğünde kapasite azalmıştır. Daha önce de belirtildiği üzere ideal koşullardan ne kadar uzaklaşılırsa kapasite o kadar azalmaktadır.

4-) Akım

Akım kapasiteyle çok karıştırılmaktadır. Kapasite amper/saat cinsindendir, yani bir saatte ne kadar akım geçtiğini belirtir. Amper ise anlıktır, voltajın dirence bölünmesiyle elde edilir. V=I x R pillere ve elektriğe dair en temel formüldür (Ohm Kanunu).

Yukarıdaki görselde iki farklı senaryo vardır. Birinci senaryoda 0.1V’luk potansiyel fark vardır. 500Ω dirençle deşarj edilmiştir. 0.1 voltu 500Ω ile deşarj edildiğinde 0.2mA geçmektedir. Direnç sabitken voltaj arttırıldığında yani 2.7 volt pili 500Ω ile deşarj ettiğimizde pilden 5.4 miliamper geçtiğini görmekteyiz. Yani aynı direnç değerinde voltaj yükseldikçe doğal olarak akım da yükselmektedir. Aralarında doğru orantı vardır. İkinci senaryoda direnç artarsa ne olur onu inceleyelim. Voltaj sabitken 4.5 volt 204Ω pilimizden 22.1 miliamper geçmiş. Voltaj sabitken direnci artırdığımızda pilimizden 5.7miliamper geçmiştir. Yani akım azalmıştır. Direnç ne kadar büyük olursa akım o kadar az geçebilir. Siz uygulamanızın çekeceği akımı, çalışma voltajını bilip ona uygun pil seçmelisiniz. Her pil her uygulamada kullanılmaz.

5-) Şarj

Lityum-İyon pillerin şarj voltajı 4.2 volttur. Lityum-İyon piller özel şarj aletleri yardımıyla CC-CV yöntemiyle şarj edilmelidir. CC-CV sabit akım-sabit voltaj demektir. Pilleri istediğimiz hızda şarj edemeyiz, her pilin şarj akımı farklıdır. Ancak kapasitenin yarısı kadar akım bütün Lityum-İyon piller için idealdir.

Grafikte 2900 mAh’lık bir pilin 1450 miliamper ile şarj edilmesini görüyorsunuz. Önce pil 4.2 volta kadar (siyah grafik voltajı gösteriyor) sabit 1450 miliamper akımla şarj ediliyor. Sonra pil 4.2 volta ulaştığı anda voltaj sabit tutuluyor, şarj akımı azalıyor. Şarj akımı pil kapasitesinin %2’sine düştüğünde pil tamamen şarj olmuş demektir. Bu belirtilen özel şarj cihazları veya kendi cihazını tasarlamak isteyen kişiler için geçerlidir. Piyasadaki şarj aletlerinde bununla ilgili herhangi bir ayar yapılamamaktadır. Akımın nereye kadar düştüğü bu cihazlarda görülmemektedir. Cihaz akımı 70-80 miliampere kadar düşerek tüm piller için şarj işlemini tamamlar. Lityum-iyon pilleri şarj edilirken dikkatli olunmalıdır. Herhangi bir adaptörle veya eski nikel-kadmiyum şarj aletleri ile şarj edilmemelidir. Bu piller yanıcı ve patlayıcı olduğundan tehlikelidir.

6-) Deşarj

Lityum-İyon pillerin minimum deşarj voltajı markaya göre değişiklik gösterebilir. Genelde 2.5V- 2.7V’dur. Deşarj voltajı ve deşarj akımı için datasheet kontrol edilmelidir. Yukarıda LG M26 pilin data sheeti bulunmaktadır. Sony için bu deşarj voltajı 2 volt olabilir. Panasonic için 2V-2.5V olabilir. LG bu pil modelinde bunu 2.75 volt olarak vermiş. Standart deşarj akımı ise sabit 500 miliamper yani pilin minimum kapasitesinin %20’si kadar olarak vermiş. Maximum deşarj akımı ise (bir uygulamanızda her zaman nominal akım çekmeyecekseniz) biraz fazla akım çekecekseniz,sizin için maksimum deşarj akımı da önemlidir. Burada 10 amper çekebileceğini söylüyor. Bu pilden 11-12 amper çekmemelisiniz. Çok ısınabilir, pil zarar görebilir. Tavsiye edilen kadar akım çekmelisiniz. Daha çok akıma ihtiyacınız varsa, VTC serisi gibi 20 amper, 30 amper, 35 amper verebilen bir seriden kullanabilirsiniz. Şarj voltajı 4.2 den ne kadar düşük tutarsanız, pilin cycle sayısı o kadar artar. Deşarj voltajını da 2.7 volttan ne kadar yüksek tutarsanız o kadar artar. Yukarıdaki data sheette 2.75 olarak belirtmiş, bunun altında deşarj etmemeliyiz ama istersek üzerinde 3 volta veya 3.2 volta kadar deşarj edebiliriz. 2500 miliamper yerine 2400 miliamper kullanmış oluruz ama pilimizi 500 çevrim yerine 600 veya 1000 çevrim kullanabiliriz, ömrü uzamış olur.

7-) Cycle Sayısı (Çevrim Ömrü)

Birçok marka pillerinin 500 kez şarj-deşarj ettiğinizde pilin %80 kapasiteye düşeceğini söyler. %80 önemlidir çünkü %80'e kadar oldukça düzgün bir eğriyle kapasite kaybı yaşayan bir pil, %80’ den sonra kararsız davranabilir. İdeal koşullardan ne kadar uzaklaşılırsa çevrim ömrü o kadar azalır. Yukarıdaki grafikte 18650PF oda sıcaklığında yani 25 derecede 0.5C ile 4.2 Volta kadar şarj edilmiştir ve 1C ile 2.5volta kadar deşarj edilmiştir. Bu durumda kapasitenin çevrim sayısına göre ne kadar azaldığını görüyorsunuz. İlk grafikte 500. çevrim sonunda yaklaşık 2300 - 2400 mAh civarına kadar düşeceği belirtilmiştir. Sony VTC6’nın grafiğini incelediğimizde oda sıcaklığında 23 derecede 4 amperle 4.15 volta kadar şarj edilmiş. Deşarjda en fazla 30 dereceye kadar sıcaklığın çıkmasına izin verilmiştir. 7.5 amperle 2.5 volta kadar deşarj edildiğinde kapasitenin 2100 mAh civarına düşeceği belirtilmiştir. Sağ üstte iki tane LG pilin grafiğini görebilirsiniz. İkisi de aynı şartlarda şarj edilmiş. Soldaki 10 amperle deşarj edilmiş ve 300 kullanım sonunda 2400 mAh’den daha fazla kapasite verebilmiş. Sağdaki ise 15 amperleri deşarj edilmiş 300 kullanım sonunda 2400mAh kapasite verebilmiş. Yani deşarj akımı ne kadar artarsa çevrim ömrü o kadar azalır. Lityum-İyon piller genel olarak 500 çevrim ömrüne sahiptir. Yukarıda LG M36 pilini görüyorsunuz. Bu pil 1000 çevrim ömrüne sahip, günümüzde Lityum-İyon pillerde bundan fazlası şu an için çok mümkün değildir. Lityum-İyon pillerin çeşitli alt kimyalarında ise çok daha fazla çevrim sayısına ulaşmak mümkündür. Örneğin LiFePO4 pillerin 2.000 çevrim ömrü vardır. LTO-(Lithium Titanate Battery) pillerin 10.000 çevrim ömrü vardır. Her gün kullansanız bile yaklaşık 30 sene kullanım ömrü vadeder. Ancak bu kimyaların enerjileri düşüktür. Bu yüzden Lityum-İyon piller hala bir birçok uygulama için en iyi alternatiftir ve çevrim sayıları her geçen gün artmaktadır.

Lityum pillerin depolanmasıyla ilgili kısaca bahsedecek olursak; Lityum-İyon piller olabildiğince serin ortamda depolanmalıdır. En ideal saklama koşulu %40 doluluk ve 0°-25° derecedir. Pilinizi %40 dolulukla oda sıcaklığında saklarsanız, bir sene sonra kapasitesini %96 dolulukla koruyabilir. Yılda en az bir kere şarj edilmesi tavsiye edilir. Doluluk ve sıcaklık ne kadar artarsa depolama açısından o kadar kötüdür. Örneğin %100 doluluk ve 60° derecede saklarsanız üç ay içerisinde pilinizin kapasitesini geri dönülemeyecek şekilde kaybedebilirsiniz.

Çalışma sıcaklığı incelendiğinde lityum piller genel olarak 0°(sıfır derecenin) altında şarj olmazlar. 0° ile 45°-50° arasında şarj olabilirler. Bazı özell piller (-10) dereceye kadar şarja izin verir. (-10) derecede piller şarj olabilir ancak bu pil sağlığı açısından tavsiye edilmez. Çalışma sıcaklıklarında deşarj sıcaklıkları, şarj sıcaklıklarına göre biraz daha geniştir. 0 derecede şarj olan pil (-20)° ile 60° arasında deşarj olabilir. Farklı markalardaki piller (-20)° ila 75° derece arasında deşarj olabilirler. Lityum-İyon piller hakkında daha detaylı bilgi için bizi takip edebilir, satın almak için online satış sitemizi ziyaret edebilirsiniz.