Piller ve Yakıt Hücreleri

Pil, belirli uygulamalar için bir elektrik kaynağı olarak kullanılan bir galvanik hücredir. Modern piller, kol saatlerine güç verenler gibi küçük düğme pillerden belediye elektrik şebekelerine yedek enerji sağlamak için kullanılan çok büyük pillere kadar çeşitli uygulamaları barındırmak için çok sayıda formda bulunur. Bazı piller tek kullanımlık uygulamalar için tasarlanmıştır ve şarj edilemez (birincil hücreler), diğerleri ise harici bir güç kaynağı (ikincil hücreler) tarafından şarj edilmesine izin veren uygun şekilde geri dönüşümlü hücre reaksiyonlarına dayanır.

Tek Kullanımlık (Birincil) Piller

Kuru hücre, hem kap hem de anot (“–” terminal) olarak çinko ve katot (“+” terminali) olarak grafit çubuk kullanan yaygın bir birincil pildir. Zn kutusu, manganez(IV) oksit, çinko(II) klorür, amonyum klorür ve su içeren bir elektrolit macunu ile doldurulur. Hücreyi tamamlamak için elektrolit macununa bir grafit çubuk batırılır. Spontan hücre reaksiyonu şunları içerir:

Kuru bir hücrenin voltajı (hücre potansiyeli) yaklaşık 1,5 V’dir (E_hücre ~ 1,5 V). Kuru hücreler çeşitli boyutlarda mevcuttur (örneğin, D, C, AA, AAA). Tüm kuru hücre boyutları aynı bileşenleri içerir ve aynı voltajı gösterir, ancak daha büyük hücreler daha fazla miktarda redoks reaktanları içerir ve bu nedenle buna bağlı olarak daha fazla miktarda yük aktarabilir. Diğer galvanik hücreler gibi, kuru hücreler de gerekirse daha büyük voltaj çıkışlarına sahip piller elde etmek için seri olarak bağlanabilir.

Alkalin piller, kuru hücre ile aynı redoks çiftleri etrafında tasarlanmıştır. Adından da anlaşılacağı gibi, bu tür piller genellikle potasyum hidroksit olan alkalin elektrolitler kullanır. Reaksiyonları şunlardır

Bir alkalin pil, benzer boyuttaki kuru bir hücrenin yaklaşık üç ila beş katı enerji sağlayabilir (E_hücre  = +1,43 V). Alkalin piller potasyum hidroksit sızıntısına eğilimlidir, bu nedenle uzun süreli depolama için cihazlardan çıkarılmalıdır. Bazı alkalin piller şarj edilebilir olsa da, çoğu değildir.

Şarj Edilebilir (İkincil) Piller

Nikel-kadmiyum veya NiCd piller, nikel kaplı bir katot, kadmiyum kaplı anot ve bir potasyum hidroksit elektrotundan oluşur. Ayırıcı tarafından kısa devre yapılmasını önleyen pozitif ve negatif plakalar bir araya getirilir ve kasaya konur. Bu tasarım, NiCd hücresinin benzer büyüklükteki bir alkalin pilden çok daha fazla akım vermesini sağlar. Reaksiyonları şunlardır

Uygun şekilde muamele edildiğinde, bir NiCd pil yaklaşık 1000 kez şarj edilebilir (E_hücre ~ 1,3 V). Kadmiyum toksik bir ağır metaldir, bu nedenle NiCd piller asla yırtılmamalı veya yakılmamalı ve ilgili toksik atık yönergelerine uygun olarak atılmalıdır.

Lityum-iyon piller en popüler şarj edilebilir piller arasındadır ve birçok taşınabilir elektronik cihazda kullanılır. Reaksiyonları şunlardır

Hücre reaksiyonunun değişken stokiyometrisi, hücre voltajlarında değişime yol açar, ancak tipik koşullar için, x genellikle 0,5’ten fazla değildir ve hücre voltajı yaklaşık 3,7 V’tur (E_hücre ~ 3,7). Lityum piller popülerdir, çünkü büyük miktarda akım sağlayabilirler, diğer tipteki benzer pillerden daha hafiftirler, boşaldıkça neredeyse sabit bir voltaj üretirler ve depolandığında şarjlarını yavaş yavaş kaybederler.

Kurşun-asit akü aynı zamanda otomobillerde yaygın olarak kullanılan bir ikincil akü türüdür. Ucuzdur ve otomobil marş motorlarının ihtiyaç duyduğu yüksek akımı üretebilir. Bir kurşun-asit batarya için reaksiyonlar şunlardır

Her hücre 2 V (E_hücre ~ 2 V) üretir, bu nedenle 12 V’luk bir araç aküsü üretmek için altı hücre seri olarak bağlanır. Kurşun-asit piller ağırdır ve kostik bir sıvı elektrolit, H₂SO₄ (aq) içerir, ancak yüksek akım yoğunluğu nedeniyle genellikle hala tercih edilen pillerdir. Bu piller önemli miktarda kurşun içerdiğinden, her zaman düzgün bir şekilde atılmalıdır.

Yakıt Hücreleri

Bir yakıt hücresi, bir oksidan ile birlikte hücreye sürekli olarak beslenen geleneksel yanıcı yakıtları, çoğunlukla hidrojen veya metanı kullanan bir galvanik hücredir. Hücre içinde, yakıt ve oksidan, yandıklarında olduğu gibi aynı redoks kimyasına maruz kalırlar, ancak önemli ölçüde daha verimli olan katalize edilmiş bir elektrokimyasal vasıtasıyla gerçekleşir. Örneğin, tipik bir hidrojen yakıt hücresi, iki yarım hücre reaksiyonunu hızlandırmak için platin bazlı katalizörlerle gömülü grafit elektrotları kullanır:

Bu tip yakıt hücreleri genellikle yaklaşık 1,23 V (E_hücre ~ 1,23 V) voltaj üretir. Bir içten yanmalı motorla karşılaştırıldığında, aynı redoks reaksiyonunu kullanan bir yakıt hücresinin enerji verimliliği tipik olarak iki kattan fazladır (bir motor için ~20%–25%, bir yakıt hücresi için ~50%–75%). Hidrojen yakıt hücreleri, genişletilmiş uzay görevlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır ve kişisel araçlar için prototipler geliştirilmiştir.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 17.5: Batteries, and Fuel Cells.