Pillerde enerji yoğunluğu, pilin hacmine ve kütlesine oranla barındırdığı enerji miktarını ifade eder. Yani bir kalem piliniz varsa bu boyutlarda ve kütlede ne kadar enerji sağladığını belirleyen bir ölçü birimidir. Enerji yoğunluğunu en çok etkileyen şeylerden bir tanesi pilin kimyasıdır. Özellikle üretici firmalar enerji yoğunluğunu arttırabilmek için özel çalışmalar yapmaktadır.
Bazı pillerin enerji yoğunlukları ön plana çıkarken bazılarında ise enerji yoğunluğundan ziyade kullanım tarzı, ömrü gibi farklı etkenler bulunur. Bu içeriğimizde sizler için pillerde enerji yoğunluğunu açıklayan bilgiler sunacağız.
Pillerde Enerji Yoğunluğu Nedir?
Enerji yoğunluğun pilin kütlesine ve hacime göre belirlenen bir ölçü birimidir. Temelde pilin hacmen ve kütlesel olarak depolayabileceği enerji yoğunluğunu ifade eder. Enerji yoğunluğunu belirleyen iki temel birim ise pilin nominal gerilimi (V) ve nominal kapasitesidir (mAh).
Örneğin; lityum iyon bir piliniz var ve 100gr kütleye sahip, pilinizin nominal gerilimi 3.7V, kapasitesi ise 7Ah olsun. Bu durumda; 3.7V x 7Ah = 25.9Wh’e eşit olacaktır. Buradan yola çıkarak pilin 100 gr kütleye sahipken 25.9Wh enerji barındırabildiğini söyleyebiliriz. Dolayısıyla; 1000g yani 1kg kütleye sahipken 25.9Wh x 10 = 259 Wh enerjiye sahip olduğunu kolaylıkla bulabiliriz. Buradan da yola çıkarak bu pilin 259Wh/kg enerji yoğunluğu olduğunu bulmuş oluruz.
Enerji yoğunluğu bahsettiğimiz üzere iki ayrı birimde incelenebilir. Bunlar; hacimsel enerji yoğunluğu (volumetric) ve kütlesel enerji yoğunluğu (gravimetrik) olarak karşımıza çıkmaktadır.
#1 Hacimsel Enerji Yoğunluğu – Volumetric (Wh/L)
Adından da anlaşılacağı gibi birim hacim başına düşen enerji miktarıdır. Yani; 1 litre başına depolayabileceği enerji miktarını ifade eder. Aslında bu birim oldukça önemlidir. Çünkü; batarya paketinizin ne kadar hacme sığdırabileceğinizi ifade eder. Özellikle elektrikli araçların bataryalarında hacimsel enerji yoğunluğu en önemli parametreler arasında yer almaktadır.
#2 Kütlesel Enerji Yoğunluğu – Gravimetrik (Wh/kg)
Yukarıdaki örnekte belirttiğimiz gibi pilin kütlesel olarak pilin depoladığı enerji miktarını belirtir. Burada da batarya tasarımı yapmadan önce bu değerin göz önünde bulundurulması gerekir. Örneğin hacmen yeterli bir alanınız olup kütlesel olarak sınırlarınızı aşan durumlar olabilir. Dolayısıyla batarya üretiminde kütlesel enerji yoğunluğu da önemli bir kriterdir.
Pillerin Kimyalarına Göre Enerji Yoğunlukları
Pillerin enerji yoğunluklarını belirleyen en önemli unsurun kimyaları olduğundan bahsetmiştik. Burada enerji yoğunluğu tüm pil çeşitlerinde görülebilir ancak genellikle şarj edilebilir pillerde bu terim ile karşılaşılmaktadır. Endüstriyel olarak kullanımı yaygın ve enerji yoğunluğu bakımından en yüksek olan piller lityum iyon pillerdir. Bilindiği gibi lityum iyon piller kendi aralarında farklı kimyalara ayrılmaktadır. Bu kimyalar arasında NMC kimyası en yüksek enerji yoğunluğuna sahip olandır.
Bunun yanı sıra lityum iyon piller ailesinden olan LiFePO4 piller de enerji yoğunluğu anlamında orta seviyelerde görülebilir. Bunun yanı sıra Ni-Cd, Ni-MH ve LTO pillerin enerji yoğunlukları düşük olarak görülebilir. Lityum iyon pillerden önce ise Ni-MH piller enerji yoğunluğu anlamında yüksek bir değere sahipti.
| Pil Türü | Enerji Yoğunluğu (Wh/kg) | Enerji Yoğunluğu (Wh/L) | Özellikler |
|---|---|---|---|
| Lityum İyon | Yüksek | Orta | Yüksek enerji yoğunluğu, hafif, yüksek voltaj |
| Lityum Polimer | Yüksek | Yüksek | Yüksek enerji yoğunluğu, esnek form faktörü |
| Nikel Metal-Hidrit | Orta | Orta | Düşük hafıza etkisi, orta seviye enerji yoğunluğu |
| Kurşun-Asit | Düşük | Düşük | Düşük maliyet, düşük enerji yoğunluğu, ağır |
| Nikel Kadmiyum | Düşük | Orta | Toksik, artık hafızası, düşük enerji yoğunluğu |
Bu tablo, farklı piller arasındaki enerji yoğunluğunu karşılaştırmanıza ve her bir pilin özelliklerini hızlı bir şekilde anlamanıza yardımcı olabilir. Ancak, pillerin gerçek dünyadaki performansı birçok faktöre bağlı olarak değişebilir, bu yüzden bu tablo sadece genel bir bakış sağlar.