Şarj edilemeyen piller olarak da bilinen birincil bataryalar, ikincil veya şarj edilebilir bataryalardan daha çok söz edilmesi nedeni ile arka planda kalırlar. Bu insanlara birincil bataryaların eski teknoloji olduğunu ve yerlerini artık ikincil bataryalara bırakmak üzere olduklarına inandırır.

Ama kazın ayağı öyle değildir.

Birincil bataryalar şarjın pratik veya imkansız olduğu durumlarda önemli bir rol oynamaktadır. Buna örnek olarak özellikle askeri harekat, afet kurtarma misyonları ve orman yangını söndürme hizmetlerini örnek olarak gösterebiliriz. IEC 60086 Standartı kapsamında düzenlenmiş birincil piller ayrıca kalp hastalarında kalp pilleri, araçlarda lastik basınç ölçerler, akıllı sayaçlar, madencilikte akıllı matkap uçları, hayvan takibi, el fenerleri, kol saatleri, uzaktan kumandalar, elektrikli anahtarlar ve çocuk oyuncakları gibi çok geniş bir yelpazede hizmet sunarlar.

Kalp hastaları için deri altına konan bataryalar lityum tabanlıdır ve üzerlerinden yalnızca 10-20 mikroamper (µA) çekilir ve yaklaşık 5-10 yıl çalışırlar. Birçok işitme cihazı pili de 70-600 mAh kapasiteye sahip olup, değiştirilmesi gerekmeden 5-14 gün boyunca çalışabilirler. Bu bataryaların şarj edilebilir tipleri hem aynı boyutta daha az kapasite sunar hem de en fazla 20 saat çalışabilirler. Burada en büyük birincil bataryaların en büyük avantajı maliyetten tasarruf ve sık sık şarj etme zorunluluğundan kurtulmaktır.

Yüksek enerji sağlayabilmesi, uzun saklama süreleri ve anında hazır olma özelliği, birincil bataryalara diğer güç kaynaklarına göre benzersiz bir üstünlük sağlar. Kolaylıkla taşınabilirler ve uzun süre depolandıktan sonra bile anında kullanılabilirler. Ayrıca hem kolayca temin edilebilirler ve de dönüşümlerinin daha kolay olması onları çevre dostu yapar.

Bütün batarya tipleri içinde popüler birincil bataryalar alkalindir. Yüksek özgün enerjiye, düşük maliyete sahiptir ve tamamen deşarj olduğunda bile çevre dostu ve sızdırmazdır. Alkalin bataryalar 10 yıla kadar saklanabilir, güvenlik açısından da iyi bir geçmişe sahiptir ve Birleşmiş Milletler taşıma kuralları ve diğer yerel düzenlemelere takılmadan uçaklarda taşınabilir. Tek dezavantajları düşük yük akımlarıdır, bu onların kullanımını uzaktan kumandalar, el fenerleri ve taşınabilir eğlence cihazları gibi hafif yüklerle sınırlar.

Daha yüksek kapasiteleri ve daha ağır yük kaldırma yetenekleri bizi lityum metal bataryalara yönlendirir. Hava yolu ile taşımada bu bataryalar çok daha katı hava nakliye kurallarına tabidir ve taşınma sırasında “Tehlikeli Yük Taşıma Düzenlemelerinde” tehlikeli maddeleri içeren “Sınıf 9” şartlarına uyulması gerekir. (Bkz. Piller-704a: Lityum Bazlı Bataryaların Hava Yolu ile Taşınması.) Şekil 1 de, birincil bataryalar olarak alkalin ve lityum-metalin yanı sıra ikincil bataryalar olarak ta kurşun asit, Ni-MH ve Li-ion’u karşılaştırılmasını görebilirsiniz.

Şekil 1: İkincil ve birincil bataryaların enerji karşılaştırması.İkincil bataryalar tipik olarak 1C‘de derecelendirilmiştir; alkalinlerin kendi kendine deşarj akımları çok daha düşüktür.

Özgün enerji sadece bir bataryanın alabileceği kapasiteyi gösterir ve çoğu birincil bataryada zayıf nokta olan güç dağıtımını içermez. Birincil batarya üreticileri etiketlerinde sadece özgün enerjiyi belirtir; özgün ise güç nadiren yayınlanır.

İkincil bataryaların çoğu 1C deşarj akımında derecelendirilirken, tüketici sınıfı birincil bataryalardaki kapasite 25mA’lık çok düşük bir akımla ölçülür. Ek olarak, bataryaların, tamamen boşalmış sayılmadan önce, alkalin için nominal 1.5V’den 0.8V’a kadar deşarj olmasına izin verilir. Bu, ürünün etiketinde etkileyici veriler ortaya koyarken, daha yüksek akımlar çeken yükler uygulanırken alınan gerçek sonuçlar ise hayal kırıklığı yaratır.

Şekil 2, birincil ve ikincil pillerin performansını “Beklenen” ve “Gerçekleşen” olarak karşılaştırır. “Beklenen”, çok düşük bir akımda deşarj olurken elde edilen özgün enerjiyi ifade eder. Ama “Gerçekleşen” ise 1C‘deki  deşarj verisidir ve ikincil bataryaların çoğu bununla derecelendirilir.

Şekil bize birincil alkalin bataryaların hafif yük oluşturan küçük elektronik cihazlarda iyi performans gösterdiğini açıkça gösterirken, kurşun asit, NiMH ve Li-ion ile temsil edilen ikincil piller daha düşük bir nominal kapasiteye sahip olmalarına rağmen (Beklenen), 1C deşarjla yüklendiğinde daha iyi performans gösterdiklerini (Gerçekleşen) ortaya koyuyor.

Şekil 2: Yük altında enerji kıyaslaması  “Beklenen” hafif bir yükte deşarj anlamına gelir; “Gerçekleşen”, 1C‘deki yüktür. Yüksek iç direnç, alkalin pili hafif yüklere sınırlar.

Yük koşullarında düşük performansın nedenlerinden biri, birincil bataryalarda voltajın düşmesine neden olan yüksek iç dirençtir. Direnç, elektrik akımının bir malzeme veya cihazdan ne kadar iyi aktığını belirler ve ohm (Ω) cinsinden ölçülür.

Pil deşarj olup tükendiğinde, zaten yükseltilmiş olan iç direnç daha da artar. Birincil bataryalar kullanan sayısal fotograf makinaları ve kameralar buna en iyi örnektir. Kısa bir kullanımda bu bataryalar iş göremez hale gelirler. Ama bu cihazlarda iş göremeyen bir alkalin batarya genellikle bir mutfak saatini iki yıl çalıştırmak için yeterli enerji taşır.

Hele alkalin bir batarya ile güç gerektiren matkap gibi gibi alet hiçte pratik değildir.

Tablo 3, tipik taşınabilir kişisel elektronik cihazları çalıştıran standart alkalin pillerin kapasitesini gösterir

Tablo 3: Alkalin özellikleri
Bağlanan deşarj yükü, düşük yüklere sahip taşınabilir müzik çalarlara eşittir.

AA ve AAA boyları, birincil bataryalar için en yaygın hücre formatlarıdır. Cep fenerleri için kalem pilleri olarak bilinen AA, ilk 1915’te piyasaya çıktı ve I. Dünya Savaşı sırasında da casusların kullandığı cihazlarda güç sağlayıcı olarak vazife gördü. 1947 yılında bu boyut standart olarak kabul edildi.

AAA, Kodak, Polaroid kameraların ve diğer taşınabilir cihazların boyutunu küçültmek 1954’te geliştirildi. 1990’larda, 9V pilin bir dalı olarak AAAA üretildi. Bu batarya lazer işaretçiler, LED fenerler, bilgisayar uç devreleri ve kulaklık amplifikatörleri için kullanıldı. (9Vpil, birbirine seri olarak bağlı altı AAAA kullanır.) Tablo 4 genel birincil pilleri karşılaştırır. (Bkz. Piller-301: Eski ve Yeni Pil Boyutlamalarına Bir Bakış)

Tablo 4: AA ve AAA formatındaki bataryalar

Bir AA batarya daha küçük olan AAA bataryanın kapasitesinin yaklaşık iki katını içerir. Bu, AAA’nın AA’ya göre enerji maliyetini iki katına çıkarır. Ama boyutların önemli olduğu ortamlar için enerji maliyeti genellikle belirli sınırlar içinde kalmak şartı ile gözardı edilebilir.

Bataryaların çok büyük adetlerle kullanıcıları olan kamu kurumları maliyetleri düşürebilmek için büyük kullanıcılar genellikle toplu satın alımlar yaparlar. Örneğin kamu örneğinde Konya büyüklüğündeki bir şehir, genel kullanım için yılda yaklaşık 33.000 AA, 16.000 AAA, 4.500 C ve 5.600 D boyutlu alkalin bataryaya gereksinim duyar.

Değişik marka AA alkalin bataryaların perakende fiyatları ve verimleri birbirlerinden farklıdırlar.Bir ABD mühendislik firması olan Exponent Inc. tarafından yapılan bir araştırmada, AA paketlerindeki sekiz marka alkalin bataryanın verimleri kontrol edildi ve en yüksek ve en düşük performans gösterenler arasında yüzde 800 tutarsızlık olduğunu ortaya çıktı. Test standardı, bir bataryanın verimini ve yükleme kapasitesini ortaya koyan, bataryaları tükenene kadar bir sayısal kameranın çekimlerinin sayılmasına dayanıyordu.

 Şekil 5, bir sayısal kameranın AA formatındaki alkalin, NiMH ve Lityum Li-FeS2 bataryalar kullanarak 1.3W lık deşarj darbeleriyle çekebileceği resim sayısını göstermektedir. (3V’de seri olarak iki hücre ile 1.3W 433mA çeker.)

Denemeyi açık arayla kazanan 690 resim ile Li-FeS2 (Lityum AA); ikinci ise 520 resim ile NiMH oldu. Alkalin ise 85 resim ile uzak ara üçüncü olabildi. Bu testte resim sayısını asıl belirleyen verimlilik değil iç dirençtir. (Bkz. Piller-801a: Pil Çalışma Süresini Puanlama)

Şekil 5: Bir dijital kameranın alkalin NiMH ve lityum ile çekebileceği resim sayısı. Li-FeS2, NiMH ve Alkalin piller örnekte yaklaşık benzer verimliliklere sahiptir ama her pilin iç direnci sayısal kameradaki resim sayısını yönetir. Li-FeS2, 3Ah, 690 resim NiMH, 2.5Ah, 520 resim Alkalin, 3Ah, 85 çekim. Test standardı: ANSI C18.1

Bir bataryanın verimliliği ve verebildiği toplam enerji arasındaki ilişki en iyi Ragone Şeması ile gösterilmektedir. David V. Ragone’un adını alan Ragone şeması, enerji ve güç üzerine bir enerji depolama cihazını değerlendirir. Ah olarak enerji, çalışma süresinde bir pilin kullanılabilir depolama kapasitesini gösterir; Watt cinsinde gösterilen güç ise yük akımını belirler.

Şekil 6, lityum (Li-FeS2), NiMH ve alkalin bataryalara uygulanan bir sayısal kameranın 1.3W yükünü (kırmızı ok ve noktalı çizgi ile gösterilmiştir) Ragone ile grafiği ile göstermektedir. Yatay eksen enerjiyi Wh cinsinden gösterir ve dikey eksen de Watt cinsinden gücü verir. Ölçek, pil boyutlarının geniş bir seçimine izin vermek için logaritmiktir.

Şekil 6: Çeşitli yük koşullarında batarya performansını gösteren Ragone şeması. ANSI C18.1 standartına göre NiMH, Li-FeS2 ve alkalin bataryalara her resim çekiminde 1.3Wlık güç darbeleri veren sayısal kamera yükü uygulandığındaki sonuçlar: – Li- FeS2 690 resim – NiMH 520 resim – Alkalin 85 resim Enerji = Kapasite x V Güç = Akım x V

Akü kimyalarının performansı Ragone hattının konumuna göre değişir. NiMH en yüksek gücü sağlar ve yüksek yüklerde iyi çalışır ancak en düşük özgün enerjiye sahiptir. Lityum Li-FeS2 en yüksek özgün enerjiye sahiptir ve orta yük koşullarını karşılar ve alkalin daha düşük akım yükleri için ekonomik bir çözüm sunar.

Sonuç

Birincil piller zaman zaman güç çeken uygulamalar için pratik bir çözüm olsa da sürekli kullanımda pahalı olabilirler. Kritik uygulamalarda her görevden sonra, kullanım süresine bakılmaksızın, batarya paketleri değiştirildiği için maliyet başlı başına bir dezavantajdır.

Kısmen kullanılmış bataryaların bitene kadar kullanılması yerine değiştirilmesi, ve çıkartılanların da atılması, özellikle filo uygulamalarında ve kritik görevlerde yaygındır, çünkü ne zaman biteceğini bilemediğiniz bir batarya yerine her göreve yeni bir batarya ile başlamak daha uygun olur. ABD de yapılan bir akü konferansında bir ordu mensubu görev sonunda atılan bataryalarda yapılan testlerde bu bataryaların yarısında hala yüzde 50 enerjinin kaldığının gözlemlendiğini söyledi.

Birincil pillerin şarj durumu, dahili direnç ölçülerek tahmin edilebilir. Direnç karakteristikleri farklı olabileceğinden, her pil tipinin kendi tipine özel bir direnç tablosuna ihtiyacı vardır. Daha doğru bir yöntem, dışarı akan enerjiyi gözlemleyen coulomb sayımıdır, ancak bu daha pahalı bir devre gerektirir ve nadiren yapılır. (Bkz. Piller-903: Şarj Durumunun Ölçülmesi – Coulomb Sayımı).