Pil: Kim, Ne Zaman İcat Etti?

Valery Yurasov/iStock

Otomobil, cep telefonu, dizüstü bilgisayar, uzaktan kumanda, saat... Piller olmasaydı bu teknolojilerin hiçbiri hayatınızda olmayabilirdi. Yüzünüz biraz asıldı değil mi? Endişelenmeyin! Daha üstün bir teknoloji keşfedilene kadar piller bu aygıtlara enerji sağlamaya devam edecek.

Peki... Piller nasıl ortaya çıktı? İlk pili kim, ne zaman icat etti? Günümüzde hangi pil çeşitleri yaygın şekilde kullanılıyor? Piller nasıl şarj oluyor? Gelin şimdi biraz “enerji depolayıp” geçmişten günümüze pillerle ilgili keyifli bir yolculuğa çıkalım.

Pil Nedir? Ne İşe Yarar?

Piller, depoladığı kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren cihazlardır. Çoğunlukla elektrik enerjisi ile çalışan taşınabilir aygıtların enerji ihtiyacını karşılamak için kullanılırlar.

Pil Nasıl Çalışır?

Pillerin biri anot, diğeri katot olarak adlandırılan iki ana bileşeni vardır. Anot yükseltgenme tepkimesinin meydana geldiği elektrottur yani anot malzemesi elektron vererek yükseltgenir. Katot ise indirgenme tepkimesinin meydana geldiği elektrottur yani katotta kullanılan malzemeler elektron alarak indirgenir. Anot ve katodun arasında ise elektrolit olarak adlandırılan ve iyonların yani elektriksel olarak yüklü parçacıkların taşınmasını sağlayan bir madde bulunur. Elektrotları birbirine bağlayan iletken tel ise elektronların anottan katoda doğru akmasını sağlar. Bu sayede devre tamamlanır, elektrik akımı oluşur ve aygıt çalışır.

Pilin çalışmasını gösteren düzenek

https://bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/kendi-pilimizi-yapalim

Pilin İcadı

Pil icat edilmeden önce insanlar sürtünme ile ortaya çıkan statik elektrikle ilgili bilgi sahibiydi. Ancak bu şekilde sürekli biçimde enerji elde edilemiyordu. Bir parıltı sonrası bütün enerji yok oluyordu. Elektrik akımı için elektrik yüklerinin sürekli akması gerekiyordu ancak hiç kimse bunun nasıl yapılacağını bilmiyordu. Ta ki 18. yüzyılının sonlarına kadar...

1780 yılında İtalyan hekim Luigi Galvani deneyler yaparken iki farklı metali ölü bir kurbağanın bacaklarındaki kaslara temas ettirdiğinde bacakların kıpırdadığını fark etti. Galvani, bunu “hayvansal elektrik” olarak adlandırsa da İtalyan bilim insanı Alessandro Volta, elektriğin kurbağadan değil farklı metallerden kaynakladığını açıkladı.

benoitb/iStock

Luigi Galvani’nin bir ölü kurbağa üzerinde yaptığı deneyler pilin icadına zemin hazırladı.

 

İlk Pil

Volta, bakır ve çinko metallerinin arasına tuzlu suya batırılmış kumaş ya da kartonlar yerleştirdi ve elektrik akımı elde etmeyi başardı. Bu üç malzeme bir “hücre”yi oluşturuyordu ve ne kadar çok hücre varsa o kadar fazla elektrik akımı oluşuyordu. Böylece voltaik pil olarak adlandırılan ilk pil, 1800 yılında Alessandro Volta tarafından icat edilmiş oldu.

ZU_09/iStock

Alessandro Volta tarafından icat edilen voltaik pil

Şarj Edilebilen İlk Pil

Şarj edilebilen ilk pil, 1859 yılında Fransız fizikçi Gaston Plante tarafından icat edildi.

Pil Çeşitleri Nelerdir?

Günümüzde elektrikle çalışan çeşitli aygıtlarda farklı kimyasal maddelerden yapılan farklı boyutlarda piller kullanılır. Boyutlarına göre piller AA, AAA, C, D, CR2032, LR44 gibi farklı şekilde adlandırılır.

Şimdi yaygın şekilde kullanılan bazı pil türlerine birlikte bakalım.

golubovy/iStock

Piller boyutlarına göre AA, AAA, C, D, CR2032, LR44 gibi farklı şekilde adlandırılır.

Çinko-karbon piller: Uzaktan kumanda el feneri, duvar saati gibi cihazları çalıştırmak için kullanılırlar. Şarj edilemez ve diğer pil türlerine göre daha ucuzdurlar.

Alkalin piller: Çinko ve manganez metallerinin kullanıldığı bu piller çinko-karbon pillere kıyasla daha pahalı olsalar da onlara göre daha iyi performansa sahiptirler. Çinko-karbon piller gibi şarj edilemezler.

Lityum piller: Tek kullanımlık fakat uzun ömürlü pillerdir. Lityum piller elektronik teraziler, şeker ölçüm cihazları, kol saatleri gibi aygıtlarda kullanılır.

Nikel-kadmiyum piller: Şarj edilebilir pillerdir dolayısıyla çok daha uzun ömürlüdürler. Çinko-karbon ve alkalin pillerin kullanıldığı cihazlarda bu pillere göre yüksek performans sağlarlar.

Kurşun asit piller: Aslında akü olarak bildiğimiz cihazlardır. Araçlarda kullanılan aküler diğer pillere göre ağır olsalar da çok güçlüdürler. Tekrar kullanılabilir özelliktedirler yani araç çalıştıkça şarj olurlar.

Lityum iyon piller: Günümüzde en yaygın kullanılan pil çeşididir. Dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları ve elektrikli araçlarda lityum iyon piller kullanılır. Hafif ve uzun ömürlüdürler. Şarj edilebilirler.

Cep Telefonlarının Şarjı Neden Bitiyor?

Pilin nasıl çalıştığını yukarıda anlatmıştık. Cep telefonlarındaki lityum iyon piller de benzer şekilde çalışır. Lityum iyon pillerde anot genellikle lityum-grafitten, katot ise lityum kobalt oksitten üretilir. Telefonun güç düğmesine bastığımızda pilin anodundaki lityum atomları yükseltgenir yani elektron kaybeder. Oluşan artı yüklü lityum iyonları elektrolit vasıtasıyla katot tarafına taşınır. Ortaya çıkan elektronlar ise iletken tel üzerinden anottan katot tarafındaki kobalta doğru akmaya başlar ve katottaki kobalt atomları elektron alarak indirgenir. Böylece elektrik akımı ortaya çıkar. Akım üzerinden geçtiği devre elemanlarına enerji sağlar. Anot tarafında hiç lityum atomu kalmaması telefonun şarjının bitmesi anlamına gelir.

juststock/iStock

Pildeki elektron akışını hızlandıracak her türlü aktivite örneğin cep telefonunda oyun oynamak, ekranı yüksek parlaklıkta kullanmak şarjın daha çabuk bitmesine neden olur.

Cep Telefonları Nasıl Şarj Oluyor?

Cep telefonumuzu şarj cihazı ile prize bağladığımızda, tüm süreçler ters yönde gerçekleşmeye başlar. Katottaki kobalt atomları elektron kaybeder. Ortaya çıkan elektronlar iletken tel üzerinden anoda doğru akmaya başlar. Bu sırada, katotta birikmiş artı yüklü lityum iyonları da elektrolit vasıtasıyla anoda taşınır. Lityum iyonları anotta elektron alarak indirgenir. Böylece pil kimyasal enerji depolar.

turk_stock_photographer/iStock

Cep telefonunu şarj cihazı ile prize bağladığımızda, telefonun şarjı tükenirken meydana gelen tüm süreçler ters yönde gerçekleşmeye başlar.

Cep Telefonunun Pil Ömrünü Uzatmak İçin Neler Yapılabilir?

Cep telefonunuzun pil ömrünü uzatmak için orijinal şarj cihazını kullanmalısınız. Çok sıcak veya çok soğuk ortamlar gibi cep telefonunun kapasitesini zorlayacak durumlar pil ömrünün azalmasına neden olabilir. Telefonun şarjını sonuna kadar kullanmamak ve tam olarak boşalmadan şarj etmek pil ömrünü uzatmaya yardımcı olur.

Daha Fazla Batarya Kullanarak Elektrikli Araçların Menzili Artırabilir mi?

Pil demişken elektrikli araçlardan bahsetmemek olmaz. Modern elektrikli araçların birçoğunda cep telefonlarında olduğu gibi lityum iyon bataryalar kullanılır. Elektrikli araçlarla ilgili dikkat çeken en önemli konuysa menzil problemi. Özellikle elektrikli araçla uzun yola çıkıldığında birkaç kez durup aracı şarj etmek gerekiyor. Bu da hem zaman kaybına neden oluyor hem de şarj istasyonlarının yaygın olmadığı yerlerde kullanıcıları zorda bırakıyor. Peki daha fazla batarya kullanarak elektrikli araçların menzili artırılabilir mi?

PhonlamaiPhoto/iStock

Modern elektrikli araçların birçoğunda lityum iyon bataryalar kullanılır.

Elektrikli araçların menzilini artırmak için araca daha fazla batarya koymak her ne kadar mantıklı gibi görünse de bu durum bazı sorulara neden olabiliyor. Bataryalar araçların kütlesinin önemli kısmını oluşturuyor. Elektrikli araçlarda daha büyük bataryalar kullanmak ise enerji sarfiyatını artırıyor. Bu nedenle batarya sayısını artırmak yerine bataryanın verimliliğini artırmak çok daha akılcı bir çözüm olabilir. Bilim insanları da konuyla ilgili çalışmalarına devam ediyor.

Pil Geri Dönüşümü

İster şarj edilebilir olsun ister olmasın her pilin bir kullanım ömrü vardır. Ömrünü tamamlamış piller çöpe atıldığında içerdikleri cıva, kurşun, kadmiyum gibi metaller zamanla toprağa, yer altı sularına, denizlere karışarak doğaya ve canlılara zarar verebilir. Bu yüzden atık pillerin çöpe atılmaması, bunun yerine geri dönüştürülmesi gerekir. Böylece hem doğaya verilecek zararın önüne geçilmiş hem de değerli metaller geri kazandırılarak ekonomik kazanç sağlanmış olur. Ülkemizdeki atık pilleri geri dönüştürmek için çalışan tek yetkili kuruluş ise Taşınabilir Pil Üreticileri ve İthalatçıları Derneği (TAP). Okulda, apartmanda, markette, eczanede yani kısacası çevrenizde çoğu yerde görebileceğiniz atık pil toplama kutularındaki atık piller, TAP tarafından atık pil dönüştürme tesisine iletiliyor. Bu tesiste atık piller ayrıştırılıp geri dönüştürülüyor. Siz de ömrünü tamamlamış pilleri atık pil toplama kutularına atarak doğayı koruyabilirsiniz.

iStockVadim/iStock

Ömrünü tamamlamış piller çöpe atıldığında içerdikleri cıva, kurşun, kadmiyum gibi metaller zamanla toprağa, yer altı sularına, denizlere karışarak doğaya ve canlılara zarar verebilir.

Kendi Pilinizi Yapın!

Deneyler köşesinin geçmiş etkinliklerinde önce patates sonra sirke kullanarak kendi pilimizi nasıl yapacağımızı anlatmış ve bu pillerle LED ampulü yakmayı başarmıştık. Siz de bu etkinlikleri inceleyerek kendi pilinizi tasarlayabilirsiniz.

Kaynaklar:

• Ellyard, D., Kim Neyi Ne Zaman İcat Etti, Çev.: U. Mutlu, TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları, 2017.
• Ferris, J. ve ark., Dünyayı Değiştiren Fikirler, Çev.: Z. Arık Tozar, TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları, 2017.
• Kabataş, Z. B., “Taşınabilir Enerji Kaynakları: Piller”, TÜBİTAK Bilim Çocuk, Sayı 297, Eylül 2022.
• Turner, T., Mills, A., Gifford, C., Tarih Yazan 100 İcat Dünyamızı Şekillendiren Parlak Buluşlar, Çev.: F. C. Dansuk, TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları, 2019.
• https://chem.libretexts.org/Courses/University_of_Arkansas_Little_Rock/Chem_1403%3A_General_Chemistry_2/Text/19%3A_Electron_Transfer_Reactions/19.03%3A_Electrochemical_Cells
• https://www.britannica.com/technology/battery-electronics/Lithium-batteries
• https://phys.org/news/2015-04-history-batteries.html
• https://ungo.com.tr/2021/11/lityum-iyon-pil-nedir-ve-nasil-calisir/