1.Kurşun-asit Tipteki Akümülatörlerin Genel Yapısı ve Kimyasal Denklemleri
Bildiğimiz gibi kurşun-asitli akümülatörler hayatımızda,endüstriyel uygulamalarda,araçlarımızda,kesintisiz güç desteğinin gerekli olduğu birçok yerde uygulama şeklinde karşımıza çıkmaktadır.Peki bu basit yapılı akü çeşidi hakkında neler biliyoruz,neleri yanlış biliyoruz,mevcut bilgilerimizi gözden geçirmemiz kendimizce de gerekli olabilmelidir.
Kurşun-asit aküler prensip olarak ikincil olarak bir pildir,yani tam şarj olup da,dolduklarından sonra,şarj esnasında bir elektroliz kabı olan yapılarından çıkıp,şarjdan kesildiğinde ise emrimize hazır olan,şarj edilebilir bir pile dönüşmüş olurlar.Diğer şarj edilebilir pil türlerinde de bu prensip yine aynidir.
Bir aküyü oluşturan malzemeler; sulandırılmış sülfirik asit çözeltisi ve iki plakada,antimonla sertleştirilmiş kurşun ızgaralar içine,presle sıkıştırılan kurşun oksit malzemeleridir.Sülfirik asit (H2SO4) yalnızca kurşun (Pb) ve kurşundioksit (PbO2) şeklinde,asitli su içerisinde bulunurken herhangi bir kimyasal reaksiyona giremez.Sülfirik asitle kimyasal reaksiyona girebilmesi için,öncelikle (Primer devrede) kurşunoksit (PbO) haline dönebilmesi gereklidir.Ancak o şartta sülfirik asitle kimyasal tepkimeye girerek, H2SO4+PbO > PbSO4+H2O denklemine göre kurşun sülfat ve suya dönüşür.Bu dolaylı tepkime + ve - plakaların bir telle birleştirilmesi esnasında kendiliğinden akü plakaları üzerinde elektrik akımıyla iyonların ters yöne hareketleri sırasında +H iyonlarının kurşundioksit plakaya gelmesi sırasında PbO ve H2O ‘ya OH - iyonunun kurşun plakaya gelmesi ile PbO ve H2O’ya dönüşürler.Her iki plakada ikincil olarak da PbSO4 ve H2O oluşumu, H2SO4’in akü kabı içinde bulunması nedeniyle kendiliğinden oluşmuş olur.Her iki plakada deşarj esnasında oluşan kimyasal tepkime aşağıdaki denklemdeki gibidir.
Pb+PbO2+2H2SO4 > 2PbSO4+2H2O+Elektrik enerjisinin eldesi
Şarj esnasında her iki plakadan farklı gazların oksijen ve hidrojen atomlarının birleşerek gaz halinde çıkmasıyla,deşarjda oluşan tepkimeler de tersine döner.Sülfirik asit fazlalaşır,plakalar eski hallerine geri dönerler.
2PbSO4+2H2O+Elektrik enerjisi verilmesi > Pb+PbO2+2H2SO4+Isı enerjisi
Uygulamada kullanılan akümülatörler kuru (Jel) ve sulu tipte olmak üzere 2 ayrı tipte üretilir.Yukarıdaki kimyasal denklemler her iki tipte de ayni şekilde geçerlidir.Yalnız kesintisiz güç kaynakları gibi, derin deşarja maruz kalabilen şartlarda kuru (Jel) aküler daha yaygın kullanım alanı bulurlar.Yapıları gereği derin deşarj daha fazla uygulanabilir ve daha uzun sürelerde düşük şarjlarda ve şarjsız olarak kalabilmeye,fazla da zarar görmeden dayanabilirler.
Günümüzde sulu elektrolitli tipte olanları genellikle çift kapaklı olarak yapılmaktadır.Gaz çıkışı, asıl kapaklar tam kapalı bulunsa da, ikinci subap görevi gören küçük ve tek yönlü kapakçıklarından,şarj esnasında tahliye edilebilmektedir.Kuru tipte olanları da gereksiz elektrolit kaybının, su kaybının az olabilmesi amacıyla,tek yönde ve şarj esnasında üretilen gaz basıncıyla açılıp,bu gazı dışarıya tahliye edebilecek şekliyle dizayn edilip yapılmaktadır.
2.Kurşunlu Akümülatörlerde Şarj Karekteristiği ve Ömür Kavramı
Kurşun-asit akümülatölerde şarj esnasında,uygulanan gerilim ve akım şiddetiyle (Güçle) doğru orantıda bir ısı enerjisi,akü içinde oluşan reaksiyonlara (Redüksiyon,oksidasyon) ilave olarak açığa çıkar.Bu ısı enerjisinin mümkün olduğu kadar az olabilmesi akünün ömür faktörünü olumsuz yönde azalttığından,sınırlanmış bir şarj akımının akülere uygulanabilmesi şarttır.Akım sabit tutulup akü geriliminin sabitlenmediği şartlarda, genellikle akü kapasitesinin 1/10’u oranında sınırlı bir akım şiddetinin uygulanması,akü plakalarına ömür açısından ve şarj sırasındaki sıcaklık yükselmesi açısından da en az zararı verebilir.Ancak akünün,bu şarj sırasında hücre geriliminin, çok dikkatli bir denetimle takip edilip,belirli bir hücre voltajında kesinlikle şarjdan kesilmesi gerkecektir.Gaz çıkışının gereğinden fazla olabilmesi ve sıcaklığın da fazla yükselmesi,bu şekilde şarjda unutulan akülerin ömrünü azaltacaktır.
En az akü sıcaklığı ve en uygun şarj akımı profesyonel ve ideal olan uygulamalarda da,üç moddan oluşur.Bazı mikrodenetleyicili ve smps esaslı özel akü şarj cihazlarında bu yöntem uygulanır:
a-Sabit akım modu (Constant current)
b- Sabit gerilim modu (Constant voltage)
c-Damla şarj modu (Trickle charge)
Bu modların asıl amacı da,gaz çıkışının hiç olmaması ve akü elektrolit sıcaklığının da aşırı artmasını önlemek amaçlıdır.Ayrıca akü sıcaklığının mcu ile ölçülüp kontrol edildiği ve PWM kontrollü şarj kontrolünün de çok iyi sağlanıp yapıldığı, çok daha profesyonel olan akü şarj uygulamaları da mevcuttur.Çünkü akülerde "sıcaklık kavramı-ömür ilişkisi",yine ayni lityum-iyon veya nikel-kadmiyum tipte,şarj olabilen bataryalarda olduğu şekliyledir.Yani şarj sırasında sıcaklığın her artan 1 derecesi, akü ömrünü direk kısaltan olumsuz bir faktördür.Şarj esnasında oda sıcaklığı da göz önüne alınarak,akü şarj gerilimi de,bu özel duruma göre arttırılıp azaltılabilmelidir.
Günlük uygulamalarda, araçlarda,kesintisiz güç kaynaklarında,emergency aydınlatma,vb. uygulamalarda bu modlardan daha farklı yöntemler de uygulanıp tatbik edilebilmektedir.Araçlarda alternatörlerin devirle doğru orantıda artan akım şiddeti ve
değişen gerilimini,bir akü şarjında kontrol edebilmek için, gerilim kontrollü konjonktörler (Zener diyotlu,darlington transistorlü,entegreli elektronik devreler) kullanılarak,yalnızca bu yolla,akü hücre kontrolü yapılıp,belirli gerilimde (Örneğin 13.80 volt gibi) şarjın aşırı boyutlara yükselebilmesi de önlenmektedir.
Bazı küçük kapasiteli ups’ler ve emergency aydınlatma devrelerinde,evlerde yapılan akü şarj kontrol devrelerinde,vb.ise, akım ve gerilinin tam olarak da sabitlenip kontrol edilebildiği elektronik devrelerle,bu akü şarjı kontrol edilebilmektedir.Aslında 3 modda verilecek olan,ayrı ayrı olan şarj modları ise, sadece 3. mod olan trickle şarj (Damla şarj modu) şarjın başında,devamında ve sonunda tek bir mod olarak (13.80 volt ) uygulanmaktadır.Burada akü 13.80 volta kadar uygun şarj akımı (1/!0) ile dolmakta,tam 13.80 voltta çekilen akım,hiç akım geçmeyecek farzedilerek kesilmiş kabul edilmektedir.Aslında 13.80 volta akümüz tam ulaşsa bile,yine mA mertebesinde çok düşük şarj akımlarını az da olsa yine çekebilmekte,yani tam bir kesilme de olmamaktadır.Ancak çekilen bu akım damlama şeklinde,yani aküye sıcaklık ve gaz riski açısından hiçbir zarar veremeyecek çok düşük bir düzeydedir.Akü şarjda unutulsa bile,bu şarj akımları,aküye bir zarar vermeden ve aküyü sadece belirli bir şarj düzeyinde tutabilecek (Float charge=tampon charge ) şekilde kalacaktır.
Akümülatörler kullanımları sırasında,ne kadar derin deşarja maruz kalıp çalıştırılırlarsa,saat/ömür kavramı da bununla doğru orantılı olarak da azalabilmektedir.Kuru (Jel) tiptekiler,derin deşarja ve derin deşarjdan sonraki,normal şarja kadar olan bekleme süresine,sulu olanlara nazaran daha dayanıklıdırlar.
3.Akümülatörlerin Araçlarda, Diğer Kullanım Yerlerinde Hazırda Bekletilmesi
Kurşunlu akümülatörlerin uzun ömürü,sağlıklı kalabilmesi,tam şarjlı olarak bulunmasına,ortam sıcaklığına,neme,elektrolit seviyelerinin azalmamasına,temiz olarak saklanma koşullarına direk olarak da bağlıdır.Şarjı düşük olarak bekletilen akülerin,kritik hücre gerilimi olan 1.80 voltun altına inebilmeleri de çok daha kolaydır.Araçlarda aşırı soğuk havalarda yarı şarjlı,az şarjlı olarak bekleyen akülerin,asit konsantrasyonu düşük olduğundan,çok düşük etkisi olan bir antifirizdeki gibi donmaları riski de bulunur.Donma olduğunda genişleyen iç hacim
yüzünden,akü seperatörlerinin,plaka ızgaralarının,kimyasal bileşimlerin de tamamen tahrip olabilmesi olasılığı vardır.Bu nedenle çok soğuk olan iklim kuşaklarında,kışın en şiddetli aylarında,akülerin tam şarjla,araç kullanılmadığında o şekliyle de bekletilmesi gerekir.
Artan sıcaklık ortamları,akülerin içlerinede,kendiliğinden oluşan kimyasal reaksiyonların da artması demektir.Çok sıcak depolama koşullarında bekletilen akülerde,kendiliğinden deşarj olayının gerçekleşeceği mutlaka da beklenmelidir.Bu nedenle normal oda sıcaklığı değerleri gözetilerek aküler uzun sürelerle bir beklemede kalabilmelidir.Tozlu ve sıkışık yapılı,dar olan kapalı ortamlar,akülerin hava sirkülasyonuyla,sıcak hava ve soğuk havanın otomatik yer değiştirmesi demek olan konveksiyonla soğumayı,radyasyonla (Işıma) ile soğumayı da iyice azaltacağından,normal çalışma şartlarında dahi anormal sıcaklık derecelerine de erişebilirler.Bu noktada akülerin havadar ve temiz ortamlarda (Özellikle ups aküleri) bulunabilmesi ve çalışmış olması da,ömür kavramına olumlu bir katkı sağlayacaktır.
Araçlarda uzun süre kullanım olanağından uzakta kalan akülerin,sulu tipte olabilmeleri nedeniyle akü kabının dış yüzeyine asitli elektrolit sıvısını sızdırabilmeleri mümkündür.Sızan bu elektrolit sıvısı,bir de akü yüzeyinde biriken toz,kir,ince kum,vb.yabancı maddelerle de birleşirse,kutuplar arasında,deşarjı daha fazla arttırabilecek bir elektrik iletim köprüsü görevini de görebilir.Bu nedenle haftalık yapılan araç periyodik bakımlarında ,akü dış yüzeyi iyice temizlenmeli,akü kutup başları arasında kalan,bu olası deşarjı kolaylaştıracak,bu iletim köprülerinin oluşmasına da hiç meydan verilmemelidir.
Elektrolit seviyesi,daima kapakların 1 cm üzerinde olabilmeli,eksiklik varsa da,yalnızca saf su ile tamamlanmalıdır.Gerekmedikçe de sülfirik asit asla ilave edilmemelidir.Sülfirik asit,şarj akımının katları da fazlaca uygulandığı halde,elektrik akımının iletilip geçmesini sağlayacak hiç sülfirik asitin,molekül olarak hiç bulunmaması,akünün tam boşalmasından sonraki bu evrelerde,şoklama amacıyla birkaç damladan daha fazla da verilip uygulanmaz,yani bu özel bir durumdur.Aksi durumlarda ise,eser miktardaki bir sülfirik asit molekülünü dahi bulup,elektriğin yine iletilebileceği,yani bu tam deşarj olaylarında,tam boşalma durumlarından hemen sonra,asit konsantrasyonunun (Yoğunluğun) zamana bağlı olan sürelerde,yeniden artıp çoğalabilmesi prensibiyle bunu uygulayabiliriz.
Akümülatörler yerlerine takılırken veya çıkarılırken,kutup başları hiçbir şekilde zorlanmamalı,kutup başlarına sert cisimlerle vurulmamalıdır.İçlerindeki aktif maddeler zarar görebilir,plaka bağlantıları kopabilir,bu nedenle çok dikkatli olunmalıdır.Akülerin iç dirençleri çok düşük olduğundan kısa devreye hiç maruz bırakılmamalıdır.Üzerlerinde kısa devreye yol açabilecek aletler (Kurbağacık,boru anahtarı,vb.) konulmamalı veya hiç unutulmamalıdır.Akü amperaj kontrolü,hiçbir şekilde direk kutup başlarını kısa devre ederek yapılmamalı,elektrolitin boumesi (Yoğunluğu) ölçülerek veya kutuplarından,akımölçerli,şönt dirençli özel ampermetreler kullanılarak yapılmalıdır.
Akümülatörler yüksek kapasiteli olarak,bireysel devrelerde kullanılırken de,akım uygulanıp verilmeden önce,devrede olabilecek bir kısa devre olasılığı da mutlaka düşünülerek,araçlardaki sigorta kutularında kullanılan sigortalar gibi,devreden önce konulup,hem bir yangın tehlikesi,hem de akünün kendisini kısa devreye karşı tam olarak koruması düşünülmelidir.Sigortasız olarak direk kullanılmasında ise,olası bir kısa devrede,akünün sahip olduğu mevcut amper gücüyle,bu kabloları kolayca yakıp eritebilmesi,iç elemanlarına bir zarar verebilmesi,ömrünü de kısaltabilmesi riski her zaman vardır.
Akülerin,atmosfere açık olanları (Çift kapaksız olan veya contasız olan tipleri) veya şarj esnasında kapakları çıkarılıp,direk olarak da,ortam havasına maruz bırakılanları,hiçbir şekilde baz anhidriti (Suyla temas edince direk baza dönüşen maddeler,gazlar,örneğin;NH3=amonyak gazı gibi) etkisi yaratacak maddelerle,direk temasının sağlanmasından da kaçınılmalıdır.Aksi takdirde elektrolitteki,kuvvetli asit olan sülfirik asitle birleşerek tuzlarını oluşturur,akü verimini düşürebilir,elektrolit konsantrasyonunu bu yolla azaltabilirler.
Aküler kapakları açık iken,sülfirik asitle kimyasal reaksiyona girebilecek olan yemek tuzu,bakır,demir,çinko,alüminyum,vb.çok yabancı ve riskli malzemelerden uzak olabilmeli,içine düşürmekten de sakınılmalıdır.Aksi takdirde,yine bu maddelerin farklı olan tuzları oluşur,elektrolit yoğunluğu azalır,akü verimi,kapasitesi olumsuz yönde etkilenir.Yemek tuzuyla akü suyu direk olarak birleşirse eğer; 2NaCl+ H2SO4 >Na2SO4+2HCl denklemiyle, tuz ruhu ve sodyum sulfat tuzu,çift bozunmayla oluşacaktır.
10.50 volt,kutup başındaki gerilimine düşen (Hücre gerilimi 1.80 voltun altı değerlerindeki) aküler,zaman kaybedilmeden, uygun bir şarj akımıyla hemen şarja bağlanmalıdır.Bu yapılmazsa,normal durumda,tek tek plaka ızgaralarında oluşan PbSO4 kristalleri,belli bölgelerinde,ya da akünün tamamında,tek bir monoblok yapıya dönüşüp de,akünün sağırlaşması (Etkilenen bölgelerinin hiç şarj tutmaması,elektrik akımını iletmemesi) riski vardır.
Ticari olarak satışa sunulmadan önce kuru aküler,bir tampon şarj (Float charge) ile koruyucu bir şarja tabi tutulurlar.Sulu olarak satılan akülerin ise,kuru,elektrolitsiz olarak bulunmalarında saat/ömür kavramı henüz başlamamıştır.Akü asidi veya saf su (Plakaları ayrıca kendiliğnden şarjlı olan,asitli suyun,bu asiti uçurularak,sadece sülfirik asitin,asit anhidriti bırakılan,saf suyla birleşince,asitli suya direk olarak da dönüşerek kullanıma sunulanlar.) ilave edilip de, ilk şarj işlemi uygulandığında,şarj/deşarj saykılı (Periyodu) da otomatik olarak başlatılmış olur.
4.Şarj Esnasında ve Şarjdan Kesildiğinde Akü Gerilimi Karekteristikleri
Akümülatörler otomatik olarak şarja bağlı değilken, şarj akımının amperiyle,voltajıyla ve zamanla da doğru orantılı olarak hücre gerilimleri adım adım artarak.yükselir2.5 volt hücre gerilimine gelinmeden çok aşırı gaz çıkışı yoktur,akü tam dolmaamıştır..2.5 volt değeri (15 volt ) değeri geçildikten sonra hidrojen ve oksijen gazları plakalardan sesli ve çok fazla olarak çıkmaya başlar.Bu noktadan sonra,şarj akımları akü aktif maddelerine zarar verebilir,şarjın hemen kesilmesi gerekir.
15 volt değerini şarj sırasında görüp,şarjdan yeni kesilen bir akünün voltajı hızla düşer.Hiç kullanılmadığında 1 gün sonra,yeni ve kapasitesi tam bir aküde okunan değer,13.20 volttur.Bu değer bir aküde ölçümle okunabilecek en yüksek bir değerdir.Diğer okunması beklenen 13.80-13.20 volt aralığındaki değer,kendiliğinden akü şarjdan kesilince düşen ve yalnızca teoride kalan ve sabit kalmayan bir değerdir.Kapasitesi düşen akülerde ise bu değerler tam olarak okunamaz,daha yakın ve ara değerler okunabilir.
Akü gerimi,yoğunluk ve doluluk oranını tam olarak verebilen bir tablo aşağıda verilmektedir.
Tam şarjlı akü:1,260 kesafet ve 2,10 volt > 12.60 volt
Yüzde 75 şarjlı akü:1,225 kesafet ve 2,07 volt > 12.42 volt
Yarı şarjlı akü:1,190 kesafet ve 2,03 volt > 12.18 volt
Yüzde 25 şarjlı akü:1,155 kesafet ve 2,00 volt > 12.00 volt
Boşalmış akü: 1,110 kesafet ve 1,90 volt > 11.40 volt
Kaynak : MEGEP dökümanları / Elektro-teknik bölümü
Ortam sıcaklığı çok düştüğünde akülerin hücre gerilimi,verebilecekleri akım kapasitesi de ayni oranda düşer.Akü gerilim değeri 12.40 voltun aşağısına düştüğünde akülerin yeniden şarja bağlanması uzun vadeli saklama şartları için gereklidir.
5.Çevre Faktörü ve Akülerin Yeniden Geri Dönüşüme Alınması
Kurşun-asit aküler,ömürlerini tamamlayarak atıl hale geldiklerinde,çevreye,doğaya zarar verebilecek şekilde, akü kutuları parçalanarak veya gelişigüzel çevreye atılarak normal bir çöp gibi değerlendirilmemelidir.Bütün kurşun ve kurşun bileşikleri,nikel-kadmiyum aküler,pillerdeki kadmiyum gibi, zehirli ve çevreyi kirletici bir maddedir.Topraktan,içme sularıyla,kullanma suları yoluyla,yani kullandığımız çeşitli kaynaklar yoluyla bizlere geri dönebilirler.bu nedenle mutlaka geri dönüşümün sağlandığı özel pil atık kutularına,akü fabrikalarına hurda bedeli karşılığı verilerek,hem doğadan uzak tutulması,hem de yeniden değerlendirilmesi sağlanmış olabilmelidir.
6.Kutup Başı Kopup Eksilen ve Hasar Gören Akülerin Tamiri
Tamir işlemi son derecede basittir..Bunun için bir adet kuru pili (Löklanşe pili) içinden alacağınız grafit (Kömür) çubukla bir miktar saf kurşun parçaları,bu tamir için yeterlidir.Çoğu zaman güç kaynağı olarak akünün yine kendisi kullanılır,ama bu pek doğru değildir,çünkü akü ömrüne bir zarar da verebilir..Kutup başının kalıbını oluşturan kutup başı döküm kalıbı,eksik,hasarlı kutup üzerinde elle konulup da tutulurken,başka bir güç kaynağından alınan yüksek akımla,grafit elektrot ve hasarlı kurşun akü kutbu arasında bir elektrik arkı oluşturulur.Oluşan bu ark sıcaklığıyla kutup başı eriyip sıvı kurşun haline dönerken,kalıba yeni kurşun parçaları koparılıp ilave edilir.Katılan bu yeni parçalar da eriyen bu kurşun banyosu içinde bir bütünlük oluşturarak,soğuyarak tam katılaştığında da,akü kutbunun,yeniden ilk orijinal görünümündeki gibi olabilmesini bize sağlayacaktır.
7. Kullanılmadan Bekletilen Akülerde Yapılacak İşlemler
Uzun müddet depolama mecburiyetinde kalınan aküleri mümkün mertebe soğuk
yerlerde muhafaza etmeli ve en fazla 30 günde bir tam şarj ederek meydana gelen
sülfatlaşmayı kalınlaşmadan yok etmelidir.
Büyük olan iş yerlerinde fazla sayıdaki aküleri bir arada depolamak mecburiyeti
olduğundan aküleri özel şarj cihazına bağlanarak muhafaza edilmelidir.
Uzun süre kullanılmadan bekletilen akülerin plakalarında sülfatlaşma olur. Sertleşen
plakalarıçözmek için yavaşşarj uygulanır.
Önce aküye bir alıcı bağlanarak akü tamamen boşaltılır. Sonra akünün içindeki
elektrolit boşaltılır ve saf su konur. Akü 0,5-1 Amper’ lik bir akımla 60-100 saat arasında şarj edilir.
Şarj süresi bitiminde akü içindeki elektrolit boşaltılarak uygun yoğunlukta elektrolit
ilave edilir.(7. madde,MEGEP/ Denizcilik,Aküler'den alıntıdır.)
Akülerimizin her zaman çok daha sağlıklı ve uzun ömürlü de kalabilmeleri dileğimle.Saygılarımla.
Bildiğimiz gibi kurşun-asitli akümülatörler hayatımızda,endüstriyel uygulamalarda,araçlarımızda,kesintisiz güç desteğinin gerekli olduğu birçok yerde uygulama şeklinde karşımıza çıkmaktadır.Peki bu basit yapılı akü çeşidi hakkında neler biliyoruz,neleri yanlış biliyoruz,mevcut bilgilerimizi gözden geçirmemiz kendimizce de gerekli olabilmelidir.
Kurşun-asit aküler prensip olarak ikincil olarak bir pildir,yani tam şarj olup da,dolduklarından sonra,şarj esnasında bir elektroliz kabı olan yapılarından çıkıp,şarjdan kesildiğinde ise emrimize hazır olan,şarj edilebilir bir pile dönüşmüş olurlar.Diğer şarj edilebilir pil türlerinde de bu prensip yine aynidir.
Bir aküyü oluşturan malzemeler; sulandırılmış sülfirik asit çözeltisi ve iki plakada,antimonla sertleştirilmiş kurşun ızgaralar içine,presle sıkıştırılan kurşun oksit malzemeleridir.Sülfirik asit (H2SO4) yalnızca kurşun (Pb) ve kurşundioksit (PbO2) şeklinde,asitli su içerisinde bulunurken herhangi bir kimyasal reaksiyona giremez.Sülfirik asitle kimyasal reaksiyona girebilmesi için,öncelikle (Primer devrede) kurşunoksit (PbO) haline dönebilmesi gereklidir.Ancak o şartta sülfirik asitle kimyasal tepkimeye girerek, H2SO4+PbO > PbSO4+H2O denklemine göre kurşun sülfat ve suya dönüşür.Bu dolaylı tepkime + ve - plakaların bir telle birleştirilmesi esnasında kendiliğinden akü plakaları üzerinde elektrik akımıyla iyonların ters yöne hareketleri sırasında +H iyonlarının kurşundioksit plakaya gelmesi sırasında PbO ve H2O ‘ya OH - iyonunun kurşun plakaya gelmesi ile PbO ve H2O’ya dönüşürler.Her iki plakada ikincil olarak da PbSO4 ve H2O oluşumu, H2SO4’in akü kabı içinde bulunması nedeniyle kendiliğinden oluşmuş olur.Her iki plakada deşarj esnasında oluşan kimyasal tepkime aşağıdaki denklemdeki gibidir.
Pb+PbO2+2H2SO4 > 2PbSO4+2H2O+Elektrik enerjisinin eldesi
Şarj esnasında her iki plakadan farklı gazların oksijen ve hidrojen atomlarının birleşerek gaz halinde çıkmasıyla,deşarjda oluşan tepkimeler de tersine döner.Sülfirik asit fazlalaşır,plakalar eski hallerine geri dönerler.
2PbSO4+2H2O+Elektrik enerjisi verilmesi > Pb+PbO2+2H2SO4+Isı enerjisi
Uygulamada kullanılan akümülatörler kuru (Jel) ve sulu tipte olmak üzere 2 ayrı tipte üretilir.Yukarıdaki kimyasal denklemler her iki tipte de ayni şekilde geçerlidir.Yalnız kesintisiz güç kaynakları gibi, derin deşarja maruz kalabilen şartlarda kuru (Jel) aküler daha yaygın kullanım alanı bulurlar.Yapıları gereği derin deşarj daha fazla uygulanabilir ve daha uzun sürelerde düşük şarjlarda ve şarjsız olarak kalabilmeye,fazla da zarar görmeden dayanabilirler.
Günümüzde sulu elektrolitli tipte olanları genellikle çift kapaklı olarak yapılmaktadır.Gaz çıkışı, asıl kapaklar tam kapalı bulunsa da, ikinci subap görevi gören küçük ve tek yönlü kapakçıklarından,şarj esnasında tahliye edilebilmektedir.Kuru tipte olanları da gereksiz elektrolit kaybının, su kaybının az olabilmesi amacıyla,tek yönde ve şarj esnasında üretilen gaz basıncıyla açılıp,bu gazı dışarıya tahliye edebilecek şekliyle dizayn edilip yapılmaktadır.
2.Kurşunlu Akümülatörlerde Şarj Karekteristiği ve Ömür Kavramı
Kurşun-asit akümülatölerde şarj esnasında,uygulanan gerilim ve akım şiddetiyle (Güçle) doğru orantıda bir ısı enerjisi,akü içinde oluşan reaksiyonlara (Redüksiyon,oksidasyon) ilave olarak açığa çıkar.Bu ısı enerjisinin mümkün olduğu kadar az olabilmesi akünün ömür faktörünü olumsuz yönde azalttığından,sınırlanmış bir şarj akımının akülere uygulanabilmesi şarttır.Akım sabit tutulup akü geriliminin sabitlenmediği şartlarda, genellikle akü kapasitesinin 1/10’u oranında sınırlı bir akım şiddetinin uygulanması,akü plakalarına ömür açısından ve şarj sırasındaki sıcaklık yükselmesi açısından da en az zararı verebilir.Ancak akünün,bu şarj sırasında hücre geriliminin, çok dikkatli bir denetimle takip edilip,belirli bir hücre voltajında kesinlikle şarjdan kesilmesi gerkecektir.Gaz çıkışının gereğinden fazla olabilmesi ve sıcaklığın da fazla yükselmesi,bu şekilde şarjda unutulan akülerin ömrünü azaltacaktır.
En az akü sıcaklığı ve en uygun şarj akımı profesyonel ve ideal olan uygulamalarda da,üç moddan oluşur.Bazı mikrodenetleyicili ve smps esaslı özel akü şarj cihazlarında bu yöntem uygulanır:
a-Sabit akım modu (Constant current)
b- Sabit gerilim modu (Constant voltage)
c-Damla şarj modu (Trickle charge)
Bu modların asıl amacı da,gaz çıkışının hiç olmaması ve akü elektrolit sıcaklığının da aşırı artmasını önlemek amaçlıdır.Ayrıca akü sıcaklığının mcu ile ölçülüp kontrol edildiği ve PWM kontrollü şarj kontrolünün de çok iyi sağlanıp yapıldığı, çok daha profesyonel olan akü şarj uygulamaları da mevcuttur.Çünkü akülerde "sıcaklık kavramı-ömür ilişkisi",yine ayni lityum-iyon veya nikel-kadmiyum tipte,şarj olabilen bataryalarda olduğu şekliyledir.Yani şarj sırasında sıcaklığın her artan 1 derecesi, akü ömrünü direk kısaltan olumsuz bir faktördür.Şarj esnasında oda sıcaklığı da göz önüne alınarak,akü şarj gerilimi de,bu özel duruma göre arttırılıp azaltılabilmelidir.
Günlük uygulamalarda, araçlarda,kesintisiz güç kaynaklarında,emergency aydınlatma,vb. uygulamalarda bu modlardan daha farklı yöntemler de uygulanıp tatbik edilebilmektedir.Araçlarda alternatörlerin devirle doğru orantıda artan akım şiddeti ve
değişen gerilimini,bir akü şarjında kontrol edebilmek için, gerilim kontrollü konjonktörler (Zener diyotlu,darlington transistorlü,entegreli elektronik devreler) kullanılarak,yalnızca bu yolla,akü hücre kontrolü yapılıp,belirli gerilimde (Örneğin 13.80 volt gibi) şarjın aşırı boyutlara yükselebilmesi de önlenmektedir.
Bazı küçük kapasiteli ups’ler ve emergency aydınlatma devrelerinde,evlerde yapılan akü şarj kontrol devrelerinde,vb.ise, akım ve gerilinin tam olarak da sabitlenip kontrol edilebildiği elektronik devrelerle,bu akü şarjı kontrol edilebilmektedir.Aslında 3 modda verilecek olan,ayrı ayrı olan şarj modları ise, sadece 3. mod olan trickle şarj (Damla şarj modu) şarjın başında,devamında ve sonunda tek bir mod olarak (13.80 volt ) uygulanmaktadır.Burada akü 13.80 volta kadar uygun şarj akımı (1/!0) ile dolmakta,tam 13.80 voltta çekilen akım,hiç akım geçmeyecek farzedilerek kesilmiş kabul edilmektedir.Aslında 13.80 volta akümüz tam ulaşsa bile,yine mA mertebesinde çok düşük şarj akımlarını az da olsa yine çekebilmekte,yani tam bir kesilme de olmamaktadır.Ancak çekilen bu akım damlama şeklinde,yani aküye sıcaklık ve gaz riski açısından hiçbir zarar veremeyecek çok düşük bir düzeydedir.Akü şarjda unutulsa bile,bu şarj akımları,aküye bir zarar vermeden ve aküyü sadece belirli bir şarj düzeyinde tutabilecek (Float charge=tampon charge ) şekilde kalacaktır.
Akümülatörler kullanımları sırasında,ne kadar derin deşarja maruz kalıp çalıştırılırlarsa,saat/ömür kavramı da bununla doğru orantılı olarak da azalabilmektedir.Kuru (Jel) tiptekiler,derin deşarja ve derin deşarjdan sonraki,normal şarja kadar olan bekleme süresine,sulu olanlara nazaran daha dayanıklıdırlar.
3.Akümülatörlerin Araçlarda, Diğer Kullanım Yerlerinde Hazırda Bekletilmesi
Kurşunlu akümülatörlerin uzun ömürü,sağlıklı kalabilmesi,tam şarjlı olarak bulunmasına,ortam sıcaklığına,neme,elektrolit seviyelerinin azalmamasına,temiz olarak saklanma koşullarına direk olarak da bağlıdır.Şarjı düşük olarak bekletilen akülerin,kritik hücre gerilimi olan 1.80 voltun altına inebilmeleri de çok daha kolaydır.Araçlarda aşırı soğuk havalarda yarı şarjlı,az şarjlı olarak bekleyen akülerin,asit konsantrasyonu düşük olduğundan,çok düşük etkisi olan bir antifirizdeki gibi donmaları riski de bulunur.Donma olduğunda genişleyen iç hacim
yüzünden,akü seperatörlerinin,plaka ızgaralarının,kimyasal bileşimlerin de tamamen tahrip olabilmesi olasılığı vardır.Bu nedenle çok soğuk olan iklim kuşaklarında,kışın en şiddetli aylarında,akülerin tam şarjla,araç kullanılmadığında o şekliyle de bekletilmesi gerekir.
Artan sıcaklık ortamları,akülerin içlerinede,kendiliğinden oluşan kimyasal reaksiyonların da artması demektir.Çok sıcak depolama koşullarında bekletilen akülerde,kendiliğinden deşarj olayının gerçekleşeceği mutlaka da beklenmelidir.Bu nedenle normal oda sıcaklığı değerleri gözetilerek aküler uzun sürelerle bir beklemede kalabilmelidir.Tozlu ve sıkışık yapılı,dar olan kapalı ortamlar,akülerin hava sirkülasyonuyla,sıcak hava ve soğuk havanın otomatik yer değiştirmesi demek olan konveksiyonla soğumayı,radyasyonla (Işıma) ile soğumayı da iyice azaltacağından,normal çalışma şartlarında dahi anormal sıcaklık derecelerine de erişebilirler.Bu noktada akülerin havadar ve temiz ortamlarda (Özellikle ups aküleri) bulunabilmesi ve çalışmış olması da,ömür kavramına olumlu bir katkı sağlayacaktır.
Araçlarda uzun süre kullanım olanağından uzakta kalan akülerin,sulu tipte olabilmeleri nedeniyle akü kabının dış yüzeyine asitli elektrolit sıvısını sızdırabilmeleri mümkündür.Sızan bu elektrolit sıvısı,bir de akü yüzeyinde biriken toz,kir,ince kum,vb.yabancı maddelerle de birleşirse,kutuplar arasında,deşarjı daha fazla arttırabilecek bir elektrik iletim köprüsü görevini de görebilir.Bu nedenle haftalık yapılan araç periyodik bakımlarında ,akü dış yüzeyi iyice temizlenmeli,akü kutup başları arasında kalan,bu olası deşarjı kolaylaştıracak,bu iletim köprülerinin oluşmasına da hiç meydan verilmemelidir.
Elektrolit seviyesi,daima kapakların 1 cm üzerinde olabilmeli,eksiklik varsa da,yalnızca saf su ile tamamlanmalıdır.Gerekmedikçe de sülfirik asit asla ilave edilmemelidir.Sülfirik asit,şarj akımının katları da fazlaca uygulandığı halde,elektrik akımının iletilip geçmesini sağlayacak hiç sülfirik asitin,molekül olarak hiç bulunmaması,akünün tam boşalmasından sonraki bu evrelerde,şoklama amacıyla birkaç damladan daha fazla da verilip uygulanmaz,yani bu özel bir durumdur.Aksi durumlarda ise,eser miktardaki bir sülfirik asit molekülünü dahi bulup,elektriğin yine iletilebileceği,yani bu tam deşarj olaylarında,tam boşalma durumlarından hemen sonra,asit konsantrasyonunun (Yoğunluğun) zamana bağlı olan sürelerde,yeniden artıp çoğalabilmesi prensibiyle bunu uygulayabiliriz.
Akümülatörler yerlerine takılırken veya çıkarılırken,kutup başları hiçbir şekilde zorlanmamalı,kutup başlarına sert cisimlerle vurulmamalıdır.İçlerindeki aktif maddeler zarar görebilir,plaka bağlantıları kopabilir,bu nedenle çok dikkatli olunmalıdır.Akülerin iç dirençleri çok düşük olduğundan kısa devreye hiç maruz bırakılmamalıdır.Üzerlerinde kısa devreye yol açabilecek aletler (Kurbağacık,boru anahtarı,vb.) konulmamalı veya hiç unutulmamalıdır.Akü amperaj kontrolü,hiçbir şekilde direk kutup başlarını kısa devre ederek yapılmamalı,elektrolitin boumesi (Yoğunluğu) ölçülerek veya kutuplarından,akımölçerli,şönt dirençli özel ampermetreler kullanılarak yapılmalıdır.
Akümülatörler yüksek kapasiteli olarak,bireysel devrelerde kullanılırken de,akım uygulanıp verilmeden önce,devrede olabilecek bir kısa devre olasılığı da mutlaka düşünülerek,araçlardaki sigorta kutularında kullanılan sigortalar gibi,devreden önce konulup,hem bir yangın tehlikesi,hem de akünün kendisini kısa devreye karşı tam olarak koruması düşünülmelidir.Sigortasız olarak direk kullanılmasında ise,olası bir kısa devrede,akünün sahip olduğu mevcut amper gücüyle,bu kabloları kolayca yakıp eritebilmesi,iç elemanlarına bir zarar verebilmesi,ömrünü de kısaltabilmesi riski her zaman vardır.
Akülerin,atmosfere açık olanları (Çift kapaksız olan veya contasız olan tipleri) veya şarj esnasında kapakları çıkarılıp,direk olarak da,ortam havasına maruz bırakılanları,hiçbir şekilde baz anhidriti (Suyla temas edince direk baza dönüşen maddeler,gazlar,örneğin;NH3=amonyak gazı gibi) etkisi yaratacak maddelerle,direk temasının sağlanmasından da kaçınılmalıdır.Aksi takdirde elektrolitteki,kuvvetli asit olan sülfirik asitle birleşerek tuzlarını oluşturur,akü verimini düşürebilir,elektrolit konsantrasyonunu bu yolla azaltabilirler.
Aküler kapakları açık iken,sülfirik asitle kimyasal reaksiyona girebilecek olan yemek tuzu,bakır,demir,çinko,alüminyum,vb.çok yabancı ve riskli malzemelerden uzak olabilmeli,içine düşürmekten de sakınılmalıdır.Aksi takdirde,yine bu maddelerin farklı olan tuzları oluşur,elektrolit yoğunluğu azalır,akü verimi,kapasitesi olumsuz yönde etkilenir.Yemek tuzuyla akü suyu direk olarak birleşirse eğer; 2NaCl+ H2SO4 >Na2SO4+2HCl denklemiyle, tuz ruhu ve sodyum sulfat tuzu,çift bozunmayla oluşacaktır.
10.50 volt,kutup başındaki gerilimine düşen (Hücre gerilimi 1.80 voltun altı değerlerindeki) aküler,zaman kaybedilmeden, uygun bir şarj akımıyla hemen şarja bağlanmalıdır.Bu yapılmazsa,normal durumda,tek tek plaka ızgaralarında oluşan PbSO4 kristalleri,belli bölgelerinde,ya da akünün tamamında,tek bir monoblok yapıya dönüşüp de,akünün sağırlaşması (Etkilenen bölgelerinin hiç şarj tutmaması,elektrik akımını iletmemesi) riski vardır.
Ticari olarak satışa sunulmadan önce kuru aküler,bir tampon şarj (Float charge) ile koruyucu bir şarja tabi tutulurlar.Sulu olarak satılan akülerin ise,kuru,elektrolitsiz olarak bulunmalarında saat/ömür kavramı henüz başlamamıştır.Akü asidi veya saf su (Plakaları ayrıca kendiliğnden şarjlı olan,asitli suyun,bu asiti uçurularak,sadece sülfirik asitin,asit anhidriti bırakılan,saf suyla birleşince,asitli suya direk olarak da dönüşerek kullanıma sunulanlar.) ilave edilip de, ilk şarj işlemi uygulandığında,şarj/deşarj saykılı (Periyodu) da otomatik olarak başlatılmış olur.
4.Şarj Esnasında ve Şarjdan Kesildiğinde Akü Gerilimi Karekteristikleri
Akümülatörler otomatik olarak şarja bağlı değilken, şarj akımının amperiyle,voltajıyla ve zamanla da doğru orantılı olarak hücre gerilimleri adım adım artarak.yükselir2.5 volt hücre gerilimine gelinmeden çok aşırı gaz çıkışı yoktur,akü tam dolmaamıştır..2.5 volt değeri (15 volt ) değeri geçildikten sonra hidrojen ve oksijen gazları plakalardan sesli ve çok fazla olarak çıkmaya başlar.Bu noktadan sonra,şarj akımları akü aktif maddelerine zarar verebilir,şarjın hemen kesilmesi gerekir.
15 volt değerini şarj sırasında görüp,şarjdan yeni kesilen bir akünün voltajı hızla düşer.Hiç kullanılmadığında 1 gün sonra,yeni ve kapasitesi tam bir aküde okunan değer,13.20 volttur.Bu değer bir aküde ölçümle okunabilecek en yüksek bir değerdir.Diğer okunması beklenen 13.80-13.20 volt aralığındaki değer,kendiliğinden akü şarjdan kesilince düşen ve yalnızca teoride kalan ve sabit kalmayan bir değerdir.Kapasitesi düşen akülerde ise bu değerler tam olarak okunamaz,daha yakın ve ara değerler okunabilir.
Akü gerimi,yoğunluk ve doluluk oranını tam olarak verebilen bir tablo aşağıda verilmektedir.
Tam şarjlı akü:1,260 kesafet ve 2,10 volt > 12.60 volt
Yüzde 75 şarjlı akü:1,225 kesafet ve 2,07 volt > 12.42 volt
Yarı şarjlı akü:1,190 kesafet ve 2,03 volt > 12.18 volt
Yüzde 25 şarjlı akü:1,155 kesafet ve 2,00 volt > 12.00 volt
Boşalmış akü: 1,110 kesafet ve 1,90 volt > 11.40 volt
Kaynak : MEGEP dökümanları / Elektro-teknik bölümü
Ortam sıcaklığı çok düştüğünde akülerin hücre gerilimi,verebilecekleri akım kapasitesi de ayni oranda düşer.Akü gerilim değeri 12.40 voltun aşağısına düştüğünde akülerin yeniden şarja bağlanması uzun vadeli saklama şartları için gereklidir.
5.Çevre Faktörü ve Akülerin Yeniden Geri Dönüşüme Alınması
Kurşun-asit aküler,ömürlerini tamamlayarak atıl hale geldiklerinde,çevreye,doğaya zarar verebilecek şekilde, akü kutuları parçalanarak veya gelişigüzel çevreye atılarak normal bir çöp gibi değerlendirilmemelidir.Bütün kurşun ve kurşun bileşikleri,nikel-kadmiyum aküler,pillerdeki kadmiyum gibi, zehirli ve çevreyi kirletici bir maddedir.Topraktan,içme sularıyla,kullanma suları yoluyla,yani kullandığımız çeşitli kaynaklar yoluyla bizlere geri dönebilirler.bu nedenle mutlaka geri dönüşümün sağlandığı özel pil atık kutularına,akü fabrikalarına hurda bedeli karşılığı verilerek,hem doğadan uzak tutulması,hem de yeniden değerlendirilmesi sağlanmış olabilmelidir.
6.Kutup Başı Kopup Eksilen ve Hasar Gören Akülerin Tamiri
Tamir işlemi son derecede basittir..Bunun için bir adet kuru pili (Löklanşe pili) içinden alacağınız grafit (Kömür) çubukla bir miktar saf kurşun parçaları,bu tamir için yeterlidir.Çoğu zaman güç kaynağı olarak akünün yine kendisi kullanılır,ama bu pek doğru değildir,çünkü akü ömrüne bir zarar da verebilir..Kutup başının kalıbını oluşturan kutup başı döküm kalıbı,eksik,hasarlı kutup üzerinde elle konulup da tutulurken,başka bir güç kaynağından alınan yüksek akımla,grafit elektrot ve hasarlı kurşun akü kutbu arasında bir elektrik arkı oluşturulur.Oluşan bu ark sıcaklığıyla kutup başı eriyip sıvı kurşun haline dönerken,kalıba yeni kurşun parçaları koparılıp ilave edilir.Katılan bu yeni parçalar da eriyen bu kurşun banyosu içinde bir bütünlük oluşturarak,soğuyarak tam katılaştığında da,akü kutbunun,yeniden ilk orijinal görünümündeki gibi olabilmesini bize sağlayacaktır.
7. Kullanılmadan Bekletilen Akülerde Yapılacak İşlemler
Uzun müddet depolama mecburiyetinde kalınan aküleri mümkün mertebe soğuk
yerlerde muhafaza etmeli ve en fazla 30 günde bir tam şarj ederek meydana gelen
sülfatlaşmayı kalınlaşmadan yok etmelidir.
Büyük olan iş yerlerinde fazla sayıdaki aküleri bir arada depolamak mecburiyeti
olduğundan aküleri özel şarj cihazına bağlanarak muhafaza edilmelidir.
Uzun süre kullanılmadan bekletilen akülerin plakalarında sülfatlaşma olur. Sertleşen
plakalarıçözmek için yavaşşarj uygulanır.
Önce aküye bir alıcı bağlanarak akü tamamen boşaltılır. Sonra akünün içindeki
elektrolit boşaltılır ve saf su konur. Akü 0,5-1 Amper’ lik bir akımla 60-100 saat arasında şarj edilir.
Şarj süresi bitiminde akü içindeki elektrolit boşaltılarak uygun yoğunlukta elektrolit
ilave edilir.(7. madde,MEGEP/ Denizcilik,Aküler'den alıntıdır.)
Akülerimizin her zaman çok daha sağlıklı ve uzun ömürlü de kalabilmeleri dileğimle.Saygılarımla.
Son düzenleme:
lütfen bu yazıyı dikkatlice de okusunlar,çünkü zamanı gelince kendileri için bu uygulamalar çok gerekli olabilir.
