50 yıl boyunca, taşınabilir cihazlar neredeyse tamamen nikel-kadmiyum (NiCd) bataryalar kullanıyordu. Ancak 1990’larda başlayan çevrecilik hareketi nedeni ile o günlere kadar güvenilir bir batarya platformu olan NiCd’nin saltanatını, kadmiyumun çevreye olan etki problemini çözmek için, nikel-metal-hidrit (NiMH), devraldı. NiCd bataryanın özelliklerinin çoğu NiMH platformuna da taşındı. Bu iki sistem birbiri ile büyük benzerlikler taşıdığı için kullanıcı açısından kolayca bir geçiş olanağı sağladı. Çevre düzenlemeleri nedeniyle, NiCd kullanımı bugün hala özel uygulamalarla sınırlıdır.

Nikel-kadmiyum (NiCd)

Waldemar Jungner tarafından 1899’da icat edilen nikel-kadmiyum batarya o zamanların tek şarj edilebilir bataryası olan kurşun aside göre bazı üstünlükler getirdi. Bununla birlikte NiCd üretimi için gerekli malzemeler o zaman için çok pahalıydı. Bataryanın sonraki yıllardaki gelişimi çok yavaş oldu. Ancak 1932’de bataryanın bileşimindeki aktif malzemeler gözenekli nikel kaplı bir elektrodun içine yerleştirilerek ilerlemelerin önü açıldı. 1947’de de şarj sırasında üretilen gazları emen bir yapı ilavesi ile modern sızdırmaz NiCd bataryaya giden yolu açan gelişmeler başladı.

Uzun yıllar boyunca, NiCd portatif ve el telsizleri, acil tıbbi cihazlar, profesyonel video kameralar ve elektrikli el aletleri için tercih edilen pil seçimiydi. 1980’lerin sonlarında, ultra yüksek kapasiteli NiCd, dünyayı standart NiCd’den yüzde 60’a kadar daha yüksek kapasitelerle sarstı. Hücreye daha fazla aktif madde paketlenmesi bunu başardı, ancak bu kazanç daha yüksek bir iç direnç ve azaltılmış şarj/deşarj döngü sayısı ile gölgelendi.

Standart NiCd, en sağlam ve hata kaldıran bir batarya olmaya devam ediyor ve bu özelliği ile de hala hava yolu¹ endüstrisi bu sisteme sadık kalmaya ediyor, ancak bataryanın uzun ömürlü olabilmesi için de şarj döngüsü ve bakımına özen gösterilmesi gerekiyor. NiCd ve kısmen de NiMH, periyodik olarak tam bir deşarj/şarj döngüsü verilmezse kapasite kaybına neden olan hafıza etkisine sahiptir. Batarya, daha önce yüklü enerjiyi hatırlar devamlı olarak aynı seviyede eksik şarj edildiğinde bu seviyeyi artık hatırlar ve bir daha tam kapasitede enerji vermez. (Bkz. Piller-807: Nikel Tabanlı Piller Nasıl Onarılır) RWTH, Aachen, Almanya’ya (2018) göre, NiCd’nin maliyeti kWh başına yaklaşık 400 $ ‘dır.

Tablo 1, standart NiCd’nin avantajlarını ve sınırlamalarını listelemektedir.

Tablo 1: NiCd pillerin avantajları ve sınırlamaları.

Nikel-metal-hidrit (NiMH)

Nikel-metal-hidrit üzerine araştırmalar 1967’de başladı; bununla birlikte, metal-hidrit ile yaşanan dengesizlikler NiMH yerine nikel-hidrojenin (NiH) gelişmesine yol açmıştır. 1980’lerde keşfedilen yeni hidrit alaşımları sonucu kararlılık sorunları iyileştirildi. Günümüzde NiMH, standart NiCd’ye göre yüzde 40 daha yüksek özgün enerji sağlıyor.

 Nikel-metal-hidrit bataryanın da dezavantajları vardır. NiMH batarya NiCd’den daha hassastır ve şarj edilmesi daha zordur. Şarjdan sonraki ilk 24 saatte yüzde 20 kendi kendine deşarj ve daha sonra her ay yüzde 10 deşarj ile NiMH sınıfının kendine deşarj oranı en yüksek olan bataryalar arasında yer alıyor. Hidrit malzemelerinin değiştirilmesi, kendi kendine deşarjı ve alaşımın korozyonunu azaltır, ancak bu sefer de bataryanın sağladığı özgün enerji azaltır. Elektrikli aktarma organları için kullanılan bataryalar gerekli sağlamlığı ve uzun kullanım ömrünü elde edebilmek için bu malzeme değişiklerini kullanır.

Tüketici Uygulamaları

NiMH, tüketici kullanımı için en kolay temin edilebilen şarj edilebilir bataryalardan biri haline gelmiştir. Panasonic, Energizer, Duracell ve Rayovac gibi büyük batarya üreticileri, piyasanın dayanıklı ve düşük maliyetli şarj edilebilir pil ihtiyacını farkına varıp piyasaya AA, AAA ve diğer boyutlarda NiMH şarj edilebilir batarya sunmaya başlamışlardır. Batarya üreticileri, alıcıları tek kullanımlık alkalin bataryalardan uzaklaştırıp şarj edilebilir bataryalara yöneltmenin peşindeler.

Tüketici pazarı için NiMH pil, 1990’larda ortaya çıkıp başarısız olan yeniden kullanılabilir alkalin batarya için bir alternatiftir. Sınırlı çevrim ömrü ve yüklenme anındaki zayıf verim özellikleri yeniden kullanılabilir alkalin bataryanın piyasada yer bulmasını engelledi.

Tablo 2, piyasada satılan bataryaların özgün enerji, gerilim, kendi kendine deşarj ve çalışma sürelerini karşılaştırmaktadır. AA, AAA ve diğer boyutlarda mevcut olan bu hücreler, bu normlar için tasarlanmış taşınabilir cihazlarda kullanılabilir. Hücre gerilimleri değişebilse de, tipik olarak 1V / hücre olan deşarj sonu gerilimleri yaygındır. Taşınabilir cihazlar voltaj aralığı açısından bir miktar esnekliğe sahiptir. Hücreleri karıştırmamak ve gurup halinde kullanıldığında gurup içinde her zaman aynı tip pilleri kullanmak önemlidir. Güvenlik endişeleri ve gerilim uyuşmazlığı lityum iyon bataryaların AA ve AAA formatlarında piyasaya sunulması önündeki en büyük engeldir.

Tablo 2: Alkalin, tekrar kullanılabilir alkalin, Eneloop ve NiMH karşılaştırması. * Eneloop bir Panasonic (2013) markasıdır ve NiMH bazlıdır.

Yüksek kendi kendine deşarj, şarj edilebilir piller kullanan tüketiciler için sürekli bir endişe kaynağıdır ve NiMH, sızdıran bir basketbol topu veya bisiklet lastiği gibi durduğu yerde boşaalır. NiMH batarya kullanan bir el feneri veya taşınabilir eğlence cihazı, yalnızca birkaç hafta kullanılmadığında batarya kendi kendine güç kaybettiği için çalışamaz hale gelir. Özellikle elektrik kesintisinde kullanmak için beklemede tutulan fenerleri her kullanımdan önce şarj etmek pek çok tüketici tarafaından hoş karşılanmaz; buna karşın alkalin bazlı batarya ise şarjını 10 yıl boyunca saklar.

Panasonic tarafından üretilen Eneloop NiMH batarya, Sanyo tarafından daha önce üretilen benzerlerine kıyasla, kendi kendine deşarjı altı kat azalttı. Bu gelişmeler bataryanın kimyasal bileşimindeki değişiklikler ve modifiye edilmiş bir ayırıcı ile mümkün olmuştur. Bu, tekrar şarj edilme gereksinimi olmadan tam şarj edilmiş bir Eneloop NiMH bataryayı normal bir NiMH bataryadan altı kat daha uzun süre saklayabileceğiniz anlamına gelir. Panasonic NiMH bataryanın soğuk ve sıcak ortamlarda da iyi performans gösterdiği söyleniyor. Eneloop’un normal NiMH batarya kaşısındaki tek dezavantajı, biraz daha düşük özgün enerjisidir.

Tablo 3, endüstriyel sınıf NiMH bataryanın avantajlarını ve sınırlamalarını özetlemektedir. Tabloda Eneloop ve diğer tüketici markaları yer almıyor.

Tablo 3: NiMH pillerin avantajları ve sınırlamaları.

Nikel-demir (NiFe)

İsveç’li Waldemar Jungner 1899’da nikel-kadmiyumu icat ettikten sonra, maliyeti düşürebilmek için kadmiyum yerine demir kullanmaya çalıştı; ama bu değişimin beraberinde gelen zayıf yük verimliliği ve gazlanma (hidrojen oluşumu) onun bir patent almadan araştırmasını bırakması ile sonuçlandı.

1901’de Thomas Edison, elektrikli araçlar için kurşun asidin yerine nikel-demir bataryanın geliştirilmesi araştırmalarına devam etti. Bir alkalin elektrolite daldırılmış nikel demirin “sülfürik asit içindeki kurşun plakaları kullanan pillerden çok daha üstün” olduğunu iddia etti. Bütün planlarını gelişen elektrikli araç pazarına göre hazırlayan Edison benzinli arabalar pazara hakim olduğunda planlarından vazgeçmek zorunda kaldı. Otomobil endüstrisi, nikel demir batarya yerine marş, aydınlatma ve ateşleme (SLI) için batarya olarak kurşun asidi kullandığında ise hayal kırıklığı arttı. (Bkz. Piller-1002: Elektrikli Güç Aktarma Sistemi, HEV, PHEV.)

 
Şekil 4: Thomas A. Edison ve geliştirilmiş batarya sistemi.

Edison, Nikel demirin kurşun asitten daha hafif ve daha temiz olduğu savı ile ortaya çıkardı. Daha düşük işletim maliyetleri, daha yüksek başlangıç ​​maliyetini dengeleyecekti. 1901 de Edison elektrikli arabaya olan ihtiyacı fark etti. Bataryalara da atlara ve demiryolu lokomotiflerine gösterilen özenin benzerinin gösterilmesi gerektiğini söyledi.

Nikel demir pil (NiFe), bir oksit-hidroksit katodu ve 1.20V nominal hücre voltajı üreten potasyum hidroksit elektrolitli bir demir anot kullanır. NiFe aşırı şarj ve aşırı deşarja dayanıklıdır ve bekleme gerektiren uygulamalarda 20 yıldan fazla dayanabilir. Titreşimlere ve yüksek sıcaklıklara karşı direnci NiFe’yi Avrupa’da madencilik için tercih edilen batarya yaptı; II. Dünya Savaşı sırasında Alman V-1 uçan bombaları ve V-2 roketleri bu bataryaları kullandı. Diğer kullanımları ise demiryolu sinyalizasyonu, forkliftlerdir.

NiFe bataryanın yaklaşık 50Wh / kg’lık düşük bir özgün enerjisi vardır, düşük sıcaklıklarda kötü bir performansa sahiptir ve ayda yüzde 20-40’lık yüksek kendi kendine deşarj gösterir. Bütün bunlar, yüksek üretim maliyetiyle birlikte, endüstrinin kurşun asit bataryaya sadık kalmasını sağladı.

Ama halen araştırmalar devam ediyor ve iyileştirmeler yapılıyor bunun sonucu olarak ta NiFe batarya şebeke dışı güç sistemlerinde kurşun asit bataryalara karşı uygulanabilir bir alternatif haline geliyor. Bu bataryalarda geliştirilen mini poşet içinde plaka teknolojisi kendi kendine deşarj miktarını düşürdü. NiFe batarya aşırı veya düşük şarjdan hemen hemen hiç etkilenmez ve 50 yıldan fazla dayanabilir. Bu ömür şarj/deşarj döngüsü ile kullanılan derin çevrim kurşun asit bataryalarda 12 yıldan daha azdır. NiFe batarya kurşun asitten yaklaşık dört kat daha pahalıdır ve fiyat olarak Li-iyon ile karşılaştırılabilir.

Nikel demir bataryalar NiCd ve NiMH’ye benzer bir şarj süreci kullanır. Bu süreçte doluma yaklaştıkça şarj akımı düşürülerek şarja devam edilir.

NiFe bataryalarda kurşun asit ve lityum iyon pillerde olduğu gibi sabit gerilim şarjı kullanılmaz, ancak gerilime de müdahale edilmez. Nikel bazlı piller gibi tam şarja yaklaşıldığında dahili gaz birikimi olur vede sıcaklık artar, bunun sonucu da hücre voltajı düşmeye başlar. Bu olgu su buharlaşmasına ve kurumasına neden olduğundan aşırı şarj etmekten kaçının. Kendi kendine deşarjı telafi etmek için de sadece dengeleme şarjı kullanın.

Zamanla düşen batarya kapasitesi 30 dakikalık dönemler için C hızının üç katına kadar yüksek bir deşarj akımı uygulanarak genellikle geliştirilebilir. Ama bu süre içinde elektrolit sıcaklığının 46˚C’yi geçmediğinden emin olun.

Nikel-çinko (NiZn)

Nikel-çinko, bir alkalin elektrolit ve bir nikel elektrot kullanması nedeniyle nikel-kadmiyum ile benzeşir, ancak ürettiği gerilimde farklılık gösterir; NiZn, NiCd ve NiMH’nin sunduğu 1.20V yerine 1.65V / hücre gerilimi sağlar. NiZn, hücre başına 1.9V ve sabit bir akımda şarj olur ve bakım şarjı olarak da bilinen damlama (dengeleme) şarjını kabul etmez. Özgün enerjisi 100Wh / kg’dır ve 200-300 kez şarj/deşarj döngüsü Kbul eder. NiZn’nin ağır toksik maddeleri yoktur ve kolayca geri dönüştürülebilir. Bazı tipleri AA pil formatında mevcuttur.

 1901’de Thomas Edison, 1932-1948 yılları arasında tramvay vagonlarına kurulan şarj edilebilir bir nikel-çinko pil sistemi için ABD patenti aldı. NiZn, dendrit büyümesinin neden olduğu yüksek kendiliğinden deşarj ve kısa çevrim ömrüne sahipti. Üstelik bu büyüme bazen bataryada kısa devreye neden oluyordu. Elektrolitte yapılan gelişmeler bu sorunu zaman içinde azaltmıştır ve NiZn ticari kullanımlar için tekrar düşünülmektedir. Düşük maliyeti, yüksek güç çıkışı ve geniş bir ısı yelpazesinde çalışabilmesi NiZn bataryaları çekici kılan etkenlerdir.

Nikel-hidrojen (NiH)

1967’de nikel-metal-hidrit araştırması  başladığında, metal kararsızlıkları ile ilgili sorunlar nikel-hidrojen pilinin (NiH) gelişimine doğru bir kaymaya neden oldu. NiH bataryalarda, hidrojeni 8.270kPa (1.200psi) basınçta depolamak için çelik bir kutu kullanır. Hücre, basınçlı kapta kapsüllenmiş katı nikel elektrotları, hidrojen elektrotları, gaz filtreleri ve elektroliti içerir.

 NiH’nin nominal hücre voltajı 1,25V ve özgün enerjisi 40-75Wh / kg’dır. Avantajları, tam şarj/deşarj döngüleri, düşük korozyon nedeniyle iyi bir hizmet ömrü, minimum kendi kendine deşarj ve –28 ° C ila 54 ° C arasında olağanüstü ısı performansı ile uzun servis ömrüdür. . Bu özellikler NiH’yi uydu kullanımı için ideal kılar. Bilim adamları karasal kullanım için NiH pilleri geliştirmeye çalıştılar, ancak düşük özgün enerji ve yüksek maliyet bu çabayı baltaladı. Bir uydu uygulaması için tek bir hücrenin maliyeti binlerce dolardır. Uydularda NiCd’nin yerini NiH  alması gibi günümüzde onu da uzun ömürlü Li-iyon’la değiştirmek için çalışmalar devam ediyor. (Bkz. Piller-211: Alternatif Akü Sistemleri.) Türkiye’nin uzaya yolladığı ITUPSAT’larda Li-iyon bataryalar kullanıldı.

 Not ¹ : Airbus A380 nin ilk uçuşlarında güvenlik yedek bataryası olarak daha önceki tiplerde kullanılan NiCd bataryaların yerini alan Li-iyon batarya blokları alev alınca Airbus bütün A380 lerde tekrar NiCd bataryalara geri döndü.