Aküler nasıl çalışır?

Teknede ve diğer alanlarda kullanabileceğimiz çeşitli akü tipleri vardır.  Bu akü tipleri ve teknede nerelerde kullanabileceğinizi aşağıdaki tabloda özetlemeye çalıştım:

Kurşun-Asit (Sulu/Starter) Aküler

Islak asitli tipindeki ilk akü Fransız fizikçi Gaston Plante tarafından 1859 yılında icat edilmiştir. Bu bilinen en eski şarj olabilen aküdür. Günümüzde çok çeşitli türde aküler olmasına rağmen temel anlamda çalışma prensipleri aynıdır.

Bir akü (veya batarya) bir veya birden fazla hücreden oluşur. Her hücre negatif ve pozitif plakalardan oluşur ve plakalar arasında plaka ayrıştırıcıları bulunur. Tüm negatif plakalar birbirlerine bağlıdır aynı şekilde pozitif plakalar da birbirlerine bağlıdır. Aşağıda klasik bir ıslak asit akünün kesitini görebilirsiniz, genellikle tüm aküler benzer yapıya sahiptirler.

Her plaka ızgara yapısındadır ve bu ızgara yapısı plakaların aktif materyallerini içerir. Izgara plakanın fiziksel şeklini oluşturur ve elektronların içeri ve dışarı doğru iletilmesini sağlar. Aktif materyal ise elektron üreten maddelerdir, negatif kutupta kurşun (İng. lead), pozitif kutupta kurşun dioksit (İng. lead dioxide) bulunur. Aşağıdaki şekilde bir akünün pozitif ve negatif plakalarının ızgara yapısını ve birbirlerine nasıl iç içe girdiklerini görebilirsiniz.

Akü hücresinin içinde bulunan pozitif ve negatif elektrotlar, elektrolit çözelti içinde (sülfirik asit) birbirlerine değmeden bulunurlar. Dışarıdan bu düzeneğe doğrusal elektrik enerjisi uyguladığımızda bu elektrik enerjisi kimyasal enerjiye dönüşür. Oluşan kimyasal reaksiyon, elektrotlar arasında kimyasal enerjinin depolanmasını sağlar. Eğer depolanmış bu kimyasal enerjiye dışarıdan bir yük bağlanırsa bu enerji ters bir reaksiyon oluşturur ve oluşan bu kimyasal enerji de elektrotlar arasında elektrik enerjisine gönder. Bu sayede elektrik enerjisi kimyasal enerjiye dönüşerek akü şarj edilir, kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüşmesi sayesinde kimyasal enerji elektrik enerjisine dönüşür. Bu şarj-deşarj dönüsünü oluşturur.

Plaka boyutundan veya yapısından bağımsız olarak herhangi bir şarjlı kurşun-asit akü hücresi yaklaşık 2.1 volt voltaj üretir. Bu kurşun ile kurşun-dioksit arasındaki sülfürik asitin oluşturduğu voltajdır. Teknelerde veya otomobillerde kullanılan akülerde genellikle 6 farklı hücre vardır ve toplam 12 volt üretebilirler. Eğer başka tip metaller kullanılırsa hücre voltajı daha farklı olur. Bu tamamen akünün kimyasal yapısı ile ilgilidir. Kimyasal yapının dışında ise her bir hücrenin kapasitesi (ne kadar elektron depolayacağı), bu depolanan elektronları hangi hızda vereceği veya hangi hızda şarj olacağı akünün diğer yapısal özellikleri ile alakalıdır.

Akünün kapasitesi, hücre içinde bulunan kurşunun ağırlığı ile orantılıdır. Yani ne kadar büyük bir kurşun varsa akünün kapasitesi de o kadar fazla olur. Biz buna akünün amper saati diyoruz. Kurşunun ağırlığının veya büyüklüğünün voltaj ile ilgisi yoktur, yukarıda daha önce anlatmaya çalıştığım gibi voltaj her bir hücredeki kimyasal reaksiyon sayesinde oluşur.

Plaka üzerindeki depolanmış enerjinin geri verilmesi plakadaki aktif materyalle elektrotta bulunan asitin reaksiyona girmesi ile orantılıdır. Aktif materyal delikli şekilde üretilmiştir bu sayede asit aktif materyalin içine daha iyi yayılabilir. Aküden güç çekilirken asit plakalar tarafından emilir ve su açığa çıkar, şarj olurken de tam tersi olur.

Akü ağır yük altındayken elektrot önce plakaların erişebilinen yüzeyleri ile reaksiyona girerler. Fakat yüzey kısmındaki enerji bittiğinde plakaların iç yüzeylerinden daha yavaş bir şekilde elektronlar verilmeye başlar bu da voltajın düşmesine neden olur. Bu illaki akünün bittiği veya öldüğü anlamına gelmez. Eğer biraz beklerseniz, plakalardan su çekilir ve asit plakalara yerleşir. Bu sayede voltaj yeniden kendine gelir. Bu özellikle sürekli marşa bastığınızda ama motorun bir türlü çalışmadığı durumlarda meydana gelir. Sürekli marş basmak yüksek miktarda enerji çekilmesine neden olur ve akünün üzerindeki plakalardaki enerjiyi tamamen bitirebilir. Biraz bekleyip tekrardan marşa basılmasının teknik açıklaması budur.

AGM (Absorbent Glass Mat) Aküler

AGM teknolojisi, standart ıslak akülerin hücre yapısını modernize ederek elektroliti (sülfürik asit) sıvı halde bırakmak yerine, plakalar arasındaki cam elyaf matlara emdirir.

• Yapısal Fark: Standart akülerde plakalar sıvı asit içinde yüzerken, AGM’de asit fiber matlar tarafından bir sünger gibi tutulur. Bu, plakaların birbirine çok daha yakın ve sıkı paketlenmesini sağlar.

• Starter Aküden Farkı: Starter aküler, marş anında plaka yüzeyindeki aktif materyalle hızlı reaksiyona girip kısa süreli yüksek akım vermek üzere tasarlanmıştır. AGM ise hem bu yüksek akımı (CCA) verebilir hem de plakaların sıkı yapısı sayesinde sarsıntıya bağlı dökülmeleri engeller.

• Avantajı: İç direnç (Ri​) çok düşüktür; bu da akünün hem çok hızlı şarj olmasını hem de yüksek deşarj akımlarına (ırgat, başpervane) voltajı fazla düşürmeden cevap vermesini sağlar.

JEL (Gel) Aküler

JEL akülerde sülfürik asit içine ince silika eklenerek elektrolit bir “jöle” kıvamına getirilir. Bu durum, temel akü hücresi kimyasını fiziksel olarak stabilize eder.

• Yapısal Fark: Islak akülerde deşarj sırasında asit plakalar tarafından emilir ve su açığa çıkar. JEL yapıda ise bu kimyasal transfer daha kontrollü ve homojen gerçekleşir.

• Starter Aküden Farkı: Starter akülerin ince plakaları yüksek akım için iyidir ancak derin deşarjda çabuk bozulur. JEL akülerin plakaları daha kalındır ve aktif materyal (kurşun dioksit) jel tarafından desteklenir. Bu yüzden marş basmak için değil, uzun süreli düşük akım (buzdolabı, aydınlatma) için “servis aküsü” olarak kullanılırlar.

• Avantajı: Gaz çıkışı (rekombinasyon) kendi içinde döngüye girdiği için su kaybı yaşanmaz. Ayrıca deşarj sonrası kendi kendine toparlanma kabiliyeti ıslak akülere göre çok daha yüksektir.

Lityum (LiFePO4) Aküler

Denizcilikte kullanılan Lityum Demir Fosfat aküler, kurşun ağırlığı ile kapasite artıran geleneksel kimyadan tamamen farklı bir iyon transferi prensibiyle çalışır.

• Yapısal Fark: Kurşun-asit hücreleri yaklaşık 2.1V üretirken, Lityum hücreleri 3.2V üretir. Bu nedenle 12V bir sistem için 6 hücre yerine sadece 4 hücrenin seri bağlanması yeterlidir.

  • Hücre Voltajı Denklem: Vnominal​≈3.2 V

  • Paket Voltajı ($4s$): Vtoplam​≈12.8 V

• Starter Aküden Farkı: Starter akülerde kapasite çekildikçe voltaj hızla düşer. Lityum akülerde ise kapasitenin %90’ı bitene kadar voltaj 12.8V – 13V seviyesinde neredeyse düz bir çizgi izler. Ayrıca lityum, kurşun ağırlığına ihtiyaç duymadığı için aynı kapasiteyi yaklaşık %70 daha az ağırlıkla sunar.

• Yangın ve Güvenlik: LiFePO4 kimyası, termal kaçak durumunda oksijen üretmediği için yangın açısından diğer lityum türlerinden (telefonlardaki gibi) çok daha güvenlidir.

Neden Farklı Akü Kullanıyoruz?

Kurşun-asit starter aküler, plakalardaki gözenekli yapının asitle hızlı etkileşimi sayesinde ani güç patlaması yaratır. Ancak bu reaksiyon plaka yüzeyinde sınırlıdır. AGM, JEL ve Lityum ise bu reaksiyonun tüm plakaya yayılmasını veya daha verimli bir enerji transferini ($Wh/kg$) hedefler.

Peukert Yasası: 100 Ah Neden Her Zaman 100 Ah Değildir?

1897 yılında Alman fizikçi Wilhelm Peukert tarafından formüle edilen bu yasa, bir akünün kapasitesinin, ondan ne kadar hızlı enerji çektiğinize bağlı olarak değiştiğini söyler. Basitçe; aküden ne kadar yüksek akım çekerseniz, akünün toplam kapasitesi o kadar “küçülür”.

Matematiksel Formül:

​​

Burada:

• $t$: Akünün boşalma süresi.

• Cp​: Akünün teorik kapasitesi (genellikle 20 saatlik deşarj süresine göre verilir).

• $I$: Çekilen akım (Amper).

• $k$: Peukert Sabiti (Akünün tipine göre değişir).

Neden Kapasite Kaybediyoruz?

Daha önce incelediğimiz dökümanlarda belirtildiği gibi, akü içindeki kimyasal reaksiyon aktif materyal ile sülfürik asitin etkileşimiyle oluşur.

• Yüzey Reaksiyonu: Aküden çok yüksek güç çekildiğinde (örneğin ırgat çalıştırırken), asit önce plakaların sadece en kolay erişilebilen yüzeyleriyle reaksiyona girer.

• İç Yüzey Gecikmesi: Plakaların iç kısımlarındaki aktif materyale asit nüfuzu daha yavaştır; bu durum elektron akış hızını sınırlar ve voltajın hızla düşmesine neden olur.

Eğer teknenizde 100 Ah’lik bir starter akü varsa ve siz ondan 50 Amper çeken bir cihaz çalıştırıyorsanız, akünüz size 2 saat ($100/50$) enerji vermez. Peukert etkisi nedeniyle belki sadece 1 saat içinde voltaj kritik seviyeye düşer.

Ancak bir Lityum akü kullanıyorsanız, 50 Amper çekseniz dahi 100 Ah kapasitenin tamamına yakınına ulaşabilirsiniz. Bu yüzden lityum aküler, “kağıt üzerindeki” değerlerinden çok daha fazla gerçek kullanım ömrü sunarlar.

• Isı Kaybı: Hızlı deşarj sırasında oluşan direnç, enerjinin bir kısmının elektrik yerine “ısı” olarak kaybolmasına yol açar.