VRLA akü

VRLA akü, yalıtılmış (kapalı) akü veya bakımsız akü olarak bilinen, şarj edilebilir kurşun asit akülerin bir çeşidi. Yapısal özelliğinden dolayı, havalandırmaya (ventilation) ihtiyaç duymaz, herhangi bir yönde herhangi bir şekilde monte edilebilir, sürekli bir bakım gerektirmez. (1) Bu akülerin havalandırmaya ihtiyaç duymaması özelliği sayesinde, kapalı, az havalandırılan ortamlarda kullanılabilmektedir. (2) Bu aküler taşınabilir elektrikli makine ve aletlerde, şebeke bağımsız güç sistemlerinde ve benzeri işlevlerde kullanılmaktadır. Lityum İyon akülerde yine az bakım gerektirir fakat büyük kapasitelerde fiyatın aşırı artması sebebiyle VRLA aküler Lityum İyon yerine tercih edilmektedir. (3)

VRLA akülerin, Jel ve AGM olmak üzere iki tipi mevcuttur. (4) Jel akülerde elektrolit sıvısına silis tozları eklenir ve böylece kalın macun kıvamını alır. (5)Bu aküler silikon aküler olarak da adlandırılır. AGM ise, Absorbed Glass Mat teknolojisinin kısaltmasıdır, bu akülerde asit plakalar arasında emdirilmiştir ve çok ince bir fiberglas mat yüzey ile hareketsiz hale getirilmiştir. Bu glass mat yüzey asidi emerek hareketsiz hale getirirken, plakalar için gerekli olan bu asidi sağlamaktadır da. (6)Her iki tasarımda sıradan akülerle ve birbirleriyle kıyaslandığında çeşitli avantaj ve dezavantajlara sahiptirler. (7)

Kurşun asit akülerin temel tasarımı

Kurşun asit akü hücreleri, sulu düşük konsantrasyonlu (genellikle %29-32) bir sülfürik asit çözeltisinin oluşturduğu bir elektrolitin içerisinde askıda bulunan iki kuşun plakadan oluşur. (8) Bir akü ise tek bir mahfaza içerisinde seri olarak bağlanan birden çok hücreden oluşur. Akünün pozitif plakasında(anot) kurşun dioksit varken, negatif plakada(katot) süngersi bir kurşun vardır. (9) Akü deşarj olurken, pozitif plakada kurşun dioksit kurşun sülfata dönüşür, negatif plakada kurşunda kurşun sülfata dönüşür. Bu sırada elektrolit sülfürik asidini kaybederken su kazanır. Bu işlemlerin sonucunda elektrik enerjisi oluşur. Plakalarda meydana gelen tepkimeler aşağıdadır.

Negatif plaka reaksiyonu:

Pb(s) + HSO⁻⁴(aq) → PbSO₄(s) + H⁺(aq) + 2e⁻

Pozitif plaka reaksiyonu:

PbO₂(s) + HSO⁻⁴(aq) + 3 H⁺(aq) + 2 e⁻ → PbSO₄(s) + 2 H₂O(l)

Toplam reaksiyon:

Pb(s) + PbO₂(s) + 2 H₂SO₄(aq) → 2 PbSO₄(s) + 2 H₂O(l)

Akü şarj olurken bu işlemlerin tersi meydana gelmektedir. Plakalar eski haline dönerken elektrolitte sülfürik asit yeniden oluşturulmaktadır.

Negatif plaka reaksiyonu:

PbSO4(s) + H+(aq) + 2e− → Pb(s) + HSO−4(aq)

Pozitif plaka reaksiyonu:

PbSO4(s) + 2H2O(l) → PbO2(s) + HSO−4(aq) + 3H+(aq) + 2e−

Bu çevrim kayıpsız değildir yani hidrojen gazı, çoğu kez tekrar suya birleşmesi gerekirken tepkimeye girmeyerek elektrolite dönmeyebilir. Yanıcı bir gaz olan hidrojenin tehlikeli seviyelerde birikmesini engellemek için, akünün içerisinde ve akünün bulunduğu ortamda gaz tahliyesinin delikler ile yapılması gerekmektedir. (10) Akünün üzerinde bulunan bu tahliye delikleri, akünün devrilmesi durumunda elektrolitin dökülebileceği manasına gelmektedir, bu durum nakliye süresince tehlike oluşturmaktadır ve taşınabilir elektrikli makine uygulamalarında kullanışsız olmaktadır. Üstelik hidrojenin devamlı olarak kaybedilmesi, elektrolitteki suyun azalmasına neden olacaktır ve akünün açılarak suyun tamamlanması gerekmektedir. Günümüzdeki çoğu aküde akünün üzerinde elektrolit seviyesini görmeyi sağlayan seviye göstergeleri bulunmaktadır, seviye düştüğü zaman tekrar doldurmayı sağlayan açılır kapağı bulunmaktadır. (4)

VRLA aküler sıradan kurşun asit akülerin yaşadığı bu sıkıntıları elektroliti hareketsiz hale getirerek ortadan kaldırmaya çalışmaktadır. Bu işlem sırasında, akü deşarj olurken hidrojen plakanın yakınında kıstırılır, akü tekrar şarj edildiği zaman hidrojen tekrar birleşerek suya dönüşür. Bu sayede su kaybı azalmaktadır, tekrar su ekleme gereksinimi olmadığı için bakımsız olarak adlandırılmaktadır. Böylece biriken hidrojen miktarının azalmasıyla, tahliyeye ihtiyaç azalmıştır ve aküler tamamen kapalı olabilir, bu sayede herhangi bir şekilde dökülme korkusu olmadan kullanılabilecektir. VRLA aküler de sulu kurşun asit akülerle kıyaslandığında az bir miktar gaz çıkışı olur. (10)

Hızlı olarak şarj etme süresince, elektrolit kaynayıp kabarabilir ve kabına basınç uygulayabilir veya gaz birikmesi tekrar birleşme için çok hızlı olabilir. Bu etkiler valf düzenlemesini(ayarlamasını kaçınılmaz kılmaktadır. Bu valf tek yönlü birden boşaltma valfi şeklindedir, sadece basınç oluştuğu durumda açılmaktadır. Valf birden açıldığı zaman dahi, akünün içerisinde bulunan hareketsiz hale getiren etken, oluşabilecek herhangi bir asit kaçağını engeller. Akü tasarımlarının bazıları o kadar kararlıdır ki, çok az elektrolit içerir, akünün ikiye ayrılması durumunda bile asit sızıntısı oluşmaz. (4)

VRLA tasarımın temel dezavantajı, hareketsiz hale getiren etken aynı zamanda gücü oluşturan kimyasal reaksiyonları da hareketsiz hale getirir. Bu sebepten dolayı, VRLA aküler, sıradan tasarımlara göre daha düşük tepe güç değerlerine sahiptirler. Bu durum otomobil başlatma akülerine ait kullanım şekline yani kısa yüksek akım atmaları ile başlayıp uzun yavaş şarj etme çevrimleri ile devam eden çalışma şekline pek uymamaktadır. VRLA aküler çoğunlukla şarj/deşarj çevrimlerinin yavaş olduğu alanlarda örneğin güç depolama uygulamalarında kullanılmaktadır. (4)

Yapı

VRLA aküler genellikle hücre başına 2.30 volttan daha fazla bir aşırı voltaj değerinde tekrar şarj edilmesi sonucunda, akünün oluşturduğu hidrojen gazı basıncını yok etmek için, basınç tahliye valfini aktif hale getirir. Valfin aktif hale gelmesi, bir miktar gaz veya elektrolitin çıkışına izin verir, böylece akünün toplam kapasitesinde azalma olur. Dikdörtgen hücreler en düşük 1 veya 2 psi değerindeki basınç değerine ayarlanmış valflere sahip olabilirken, metal dış mahfazalı spiral hücreler 40 psi değerine kadar ayarlanabilen valflere sahiptir. (1)
Hücre genellikle aşırı şarj durumunda oluşabilecek aşırı hidrojeni güvenli bir şekilde dağıtıp yaymasına imkân veren dâhili gaz dağıtıcı(difüzör)’ya sahiptir. Aküler kalıcı olarak sızdırmaz değildir, fakat bakımsız olarak isimlendirilmiştir. VRLA aküler herhangi bir şekilde yönlendirilebilir, normal kurşun asit akülerin aksine plakaların yönelimini dikey olarak tutma mecburiyeti yoktur. Hücreler yatay olarak(gözleme stilinde) plakalar ile çalışarak çevrim ömrü artırabilir. (1)

VRLA hücreler düz plakalardan yapılmış olabilir, aynı sıradan sulu kurşun asit akü gibi veya silindirik hücreler oluşturmak için spiral rulo biçiminde yapılabilir.

Yüksek aşırı şarj akımlarında, suyun elektrolizi meydana gelir, hidrojen ve oksijen gazını akünün valflerinden atar. Kısa devrelerin ve hızlı şarj etmenin engellenebilmesi için önlemler alınmalıdır. Sabit voltaj şarj etme, VRLA aküler için en yaygın, en verimli ve en hızlı şarj etme yöntemidir. VRLA aküler devamlı olarak hücre başına 25 santigrat derecede 2.35 volt civarında şarj edebilir. Bazı tasarımlar 1 saat gibi yüksek oranlarda hızlı şarj edilebilir. Hücre başına 2.7 V değerinde devamlı şarj hücrelere zarar verebilir. Yüksek oranlarda(üç saat içinde hesaplanmış kapasiteyi restore etmesinden daha hızlı oranlarda) sabit akım şarj etme hücrenin hidrojen ve oksijeni birleştirme kapasitesini aşacaktır. (1)

Tarihi

İlk AGM hücre Cyclon’dur, 1972 yılında Gates Rubb şirketi tarafından patenti alınmıştır ve günümüzde Enersys 21 Ekim 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. firması tarafından üretilmektedir. (11)Cyclon spiral olarak sarılmış ince kurşun kenar yuvalı elektrotlu hücredir. (11)

Bazı üreticiler sıradan düz plakalı hücrelerin içinde bu teknolojiyi kullanabilmek için çalışmalar yaptılar.

Önemli bir pazar pozisyonunu ele geçiren ilk üretici muhtemelen Japon Yuasa 2 Mart 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.’ydı. Onların düşük kapasiteli hafif aküleri ikaz ve acil aydınlatma sektörlerinde 1980’lerde çok hızlı yayıldı ve ayrıca UPS ve PABX’lerde enerji kaynağı olarak kullanıldı. (4)

1980’lerin ortalarında, iki Birleşik Krallık şirketi, Chloride ve Tungstone, eş zamanlı olarak 400 Ah kapasiteye kadar 10 yıl ömürlü AGM aküleri piyasaya sürdüler, bu atılım İngiliz Telekomünikasyon şartnamesinde yeni dijital santrallerin besleneceği akülerin tanımlarıyla sağlandı. Aynı dönemde, Gates bir başka İngiliz şirketi Varley’i ele geçirdi, bu şirket uçak ve askeri aküler üzerine uzmanlaşmıştı. Varley kurşun yuva teknolojisini Cyclon’a adapte ederek eşine az rastlanır yüksek oranlı çıkışlı düz plaka aküler üretti. Bu aküler bir dizi uçaktan onay aldılar, içlerinde BAe 125 ve 146 iş jetleri, Harrier türevi AV8B ve bazı F16 çeşitlerinde normal NiCd akülere ilk alternatif olarak kullanıldılar. (4)

AGM aküleri daha yüksek kapasitelere taşıma işi GNB’nin Absolyte’i tarafından başarıldı. VRLA AGM teknolojisi günümüzde hem sabit hem de hareketli araç aküleri olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. (4)<

AGM (Absorbed Glass Mat)

AGM aküler sulu kurşun asit akülerden elektrolitin serbestçe dolaşmasının aksine elektroliti cam mat içinde tutmasıyla ayrışır. Çok ince mikrometre mertebesindeki cam fiberler hücrelerin üzerinde cam mat ayırıcıları oluşturur. Bu mat yüzey sülfürik asit ile çok iyi bir şekilde ıslatılmıştır. Mat yüzeydeki ince gözeneklerde elektrolit emilir fakat büyük gözenekler açıktır. Hem elektroliti tutarken hem de büyük gözeneklerle gaz transferine imkân tanır. (12) (13)

AGM akünün içindeki plakalar herhangi bir şekilde olabilir. Bazıları düzdür, bazıları köşeli veya sarılmıştır. AGM aküler, hem derin çevrime hem de başlatma için, dikdörtgen bir mahfaza içindedir. (4)

Jel akü

Jel bir akü(aynı zamanda jel hücre olarak da bilinmektedir) jelleştirilmiş elektrolitli bir VRLA aküdür; sülfürik asit silis buharı ile karıştırılarak, katı jel biçimli hareketsiz olarak çıkar. Bu akülerin de sulu kurşun asit aküler gibi dik tutulma zorunluluğu yoktur. Jel aküler elektrolit buharlaşmasını, dökülmesini (ve bunu izleyen paslanma problemlerini) ki bu sorunlar sulu aküler de ortak problemlerdir, azaltmışlardır ve çok yüksek sıcaklıklar için, sarsıntı veya darbe için yüksek direnç göstermektedir. (4)

Kimyasal olarak jel aküler sulu akülerle neredeyse aynıdır fakat aralarındaki fark kurşun plakalarda antimon, kalsiyum ile yer değiştirmiştir ve gazın tekrar birleşimi meydana gelebilmektedir. Modern jel formülü ve büyük ölçekli üretim Otto Jache ve Heinz Schreoder’in <US Patent 4,414,302> patenti ile German Co. Accumobterenfabrik GMBH’ye resmi olarak aittir. (4)

Jel elektrolitten dolayı ayırıcıların önemi çok kritik değildir, yapımı zor bir malzeme değildir ve çevrim ömrü artmıştır. Daha önemlisi, gerçek gaz yeniden birleşimi kullanıldığı için aküleri susuz yapmaktadır ve bakımsız olarak adlandırılmaktadır. Tek yönlü valfler 2 psi değerine ayarlanmıştır ve bu tam tekrar birleşmenin gerçekleşmesi için yeterlidir. Şarjın sonunda aşırı şarjdan dolayı pozitif plakada oksijen oluştuğu zaman, jelin içinde “shrink crack” boyunca doğrudan negatif plakaya ki negatif plaka yüksek yüzey alanı saf kurşundan yapılmıştır ve olabildiğince hızlı yanıp bitmektedir. Bu oksijen ve hidrojen negatif plakanın sünger kurşun metal yüzeyinin üzerinde emilir ve su olarak birleşir ve hücre içerisinde alıkonulur.

Bu kapalı, sızdırmazlık teknolojisi gelişen taşınabilir elektronik marketine uygun çok küçük VRLA akülerin (1-12 amper saat) yapılmasını mümkün kılmıştır. Pahalı olmayan küçük kapalı kurşun/asit aküler için büyük bir pazar oluştu. Taşınabilir TV, haber kameraları için aydınlatma, oyuncak sürme arabaları, acil durum aydınlatma ve bilgisayar ups sistemleri için gelişen pazar küçük sızdırmaz VRLA aküler ile enerjilendirilmiştir. (4)

Uygulamalar

Çoğu modern motosiklet ve ATV’ler AGM aküler kullanırlar, böylece muhtemel sarsıntı ve kaza durumlarında asit dökülmesini azaltmaktadır. Motosiklet tasarımında gerekli görülürse küçük aküler açılı olarak monte edilebilmektedir. (4)

Sulu kurşun asit akülerle kıyaslandığında yüksek imalat masrafları sebebiyle, AGM aküler günümüzde özel araçlarda kullanılmaktadır. Taşıtlar ağırlaşıp elektronik cihazlarla (örneğin navigasyon, denge kontrolü, park sensörü, hız sabitleyici, ses sistemleri gibi) donatıldığında AGM aküler taşıtın ağırlığını düşürmek için kullanıldılar. AGM aküler sulu kurşun asit akülere göre daha iyi elektriksel güvenlik sağlamaktadır. (4)

Yeni 5 serisi BMW’lerde Mart 2007’den beri fren enerjisini geri dönüştüren yeniden üretimli fren ve araba yavaşladığında alternatörün aküyü şarj etmesini temin eden bilgisayar kontrolü ile ilişkili cihazlarda AGM aküleri kullanmaktadır. (4)

Derin çevrim AGM genellikle şebekeden bağımsız güneş enerjisi ve rüzgâr enerjisi kurulumlarında enerji depolama bankı ve büyük ölçekli amatör robotik çalışmaları FIRST ve IGCV yarışlarında kullanılmaktadır. (4)

AGM aküler kutuplarda buz görüntüleme istasyonlarında uzaktan kumanda sensörleri için seçilmektedir. Soğuk ortamlarda AGM akülerin sızdırmaz olası sebebiyle kırılma ve sızıntı yaşanmamaktadır. (4)

VRLA aküler elektrikli tekerlekli sandalyelerde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır, düşük gaz ve asit çıkışı iç mekân kullanımlarını daha güvenli yapmaktadır. VRLA aküler UPS’lerde yedekleme(destek) olarak elektrik kesintisi durumlarında kullanılmaktadır. (4)

VRLA aküler deniz uçaklarında standart güç kaynağı olarak da bir takım uçuş davranışlarına karşı koyma kabiliyetinden dolayı ve geniş bir sıcaklık aralığında çalışabilmesi sebebiyle kullanılabilmektedir. Bununla birlikte, şarj düzeni değişken sıcaklıklara adapte edilmelidir. (1)

AGM ve jel aküler marina ve denizcilik sektöründe kullanılmaktadır, AGM’lerin kullanımı daha yaygındır. AGM derin çevrim aküleri de bazı tedarikçiler tarafından sağlanmaktadır. Bu aküler az bakım gerektirmeleri ve sızdırmaz özelliklerinden dolayı tercih edilmektedirler fakat sulu akülere göre daha pahalı bir çözümdür.

Telekomünikasyon uygulamalarında, VRLA aküler Telcordia Technology gereksinimleri belgesi GR-4228’deki kriterlere uyum sağlamaktadır, VRLA akü güvenlik ve performans için belirlenen bir dizi sertifikasyon seviyelerinde, saha kurulumlarında(telekom kutuları), ortam sıcaklık ve neminin kontrol altında tutulduğu mekanlar, elektronik ekipman kabinleri ve camlı ve raflı kabinlerde önerilmektedir. (14)

Telekomünikasyondaki VRLA’larla ilgili olarak, VRLA omik ölçme tipi ekipmanı(OMTE) ve OMTE gibi ölçü ekipmanları telekomünikasyon akü kurulumlarında tamamen yeni bir süreçtir. Omik test ekipmanının düzgün kullanımı akülerin hizmetten alınmasına gerek olmadan test edilmesini böylece masraflı ve zaman alan deşarj tutulmasına gerek bırakmadan test işleminin gerçekleştirilmesini mümkün kılmıştır. (14)

Sulu kurşun asit akülerle kıyaslanması

VRLA aküler sulu kurşun asit hücrelerle kıyaslandığında bazı avantajlar sunarlar. Akü herhangi bir şekilde monte edilebilir, çünkü valfler sadece yüksek basınç hatalarında çalışmaktadır. Akü sistemi tekrar birleşimli ve aşırı şarjdan dolayı oluşan gaz emisyonlarını bertaraf edecek şekilde tasarlandığından, oda havalandırma gereksinimleri azaltılmıştır ve normal çalışma sırasında asit buharı yayılmamaktadır. (15)

Bir darbe durumunda salınabilecek serbest elektrolit hacmi çok azdır. Elektrolit seviyesini kontrol etme ihtimali veya ihtiyacı yoktur veya elektroliz sebebiyle kaybolan suyu tamamlamaya ihtiyacı yoktur, denetleme ve bakım gereksinimleri azalmıştır. Plakalara kalsiyum eklenmesi sebebiyle su kaybı azalmıştır, sızdırmaz(mühürlü) kapalı bir akü sulu kurşun asit akülere göre daha hızlı şarj olur. (16) (17) Standart bir arabada, 4x4’te veya kamyon alternatörü 2 ila 4 saat civarında tamamen boş halden tam şarj konumuna ulaştırabilir. Derin çevrim sulu hücre aküleri şarj potansiyellerinin %70 ile %80’nini şarj etmeleri 8-12 saat arasında sürmektedir. (18) VRLA aküler yanlı süresince meydana gelen termal kaçağa karşı daha savunmasızdırlar. (1) Akü ömrünü azaltan yanlış şarjı teşhis eden hidrometer tarafından elektrolit test edilemez. (19) (20) BCI (Battery Council International) boyut grubuna göre AGM otomobil aküleri sulu akülere göre iki kat daha pahalıdır, jel aküler beş kat daha pahalıdır.