Cep telefonu şarjı ile ilgili şehir efsaneleri

Günlük hayatımızın önemli bir parçası haline gelen telefonlarımız artık birer iletişim aracı olmanın ötesinde, bankacılık, sağlık, e-devlet gibi birçok hizmetin odak noktası olmuş durumda. Farklı nesiller olarak bilinen değişimlerden geçmiş olsa da, hayatımıza girdiği ilk günden beri cep telefonlarıyla ilgili en çok konuşulan konulardan biri, piller ve şarjları.

Bu yazıda, bir elektrokimyacı gözüyle, pil içerisindeki süreçlere bakarak konuyla ilgili bazı şehir efsanelerinin nedenlerini anlamaya çalışacağız.

“Şarj etmeden önce sonuna kadar deşarj etmem gerekli mi?”

Efsaneler içerisinde belki de gerçeklik payı olan tek bilgi bu olsa da bu, bugün geçerli değil.

Konunun tarihine kısaca bakacak olursak, nikel elektrot içeren piller bilgisayar kontrollü bir şekilde defalarca kapasitelerinin %25’ine kadar deşarj edilip tekrar şarj edildiklerinde, %25’ten fazla deşarj olamaz hale geldikleri görülmüştü.^[1]Davolio, G., Soragni, E. (1998) The ‘memory effect’ on nickel oxide electrodes:electrochemical and mechanical aspects. Journal of Applied Electrochemistry 28, 1313–1319. https://doi.org/10.1023/A:1003452327919^[2]Huggins, R. (2006). Mechanism of the memory effect in “Nickel” electrodes. Solid State Ionics, 177(26–32), 2643–2646. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2006.03.005 Gerçek hayatta karşılaşmamızın zor olduğu bu durum, sadece nikel içeren elektrotlar için gözlenmiş bir etki. Nikel elektrot içeren piller farklı uygulamalar için hâlâ standart olsa da 2010 ve sonrası üretilmiş hiçbir cep telefonu nikel elektrot içeren bir pil içermez. Yeni nesil cep telefonlarında, asgari hacim ve ağırlık içerisinde azami kapasite istendiği için, lityum-iyon pilleri tercih ediliyor. Bu pillerde, nikel elementi kullanılıyor olsa da yukarıda bahsi geçen tarzda nikel elektrotlar kullanılmıyor. Bu açıdan, bir cep telefonunu şarj etmeden önce sonuna kadar deşarj etmek gereksiz ve hatta bu uygulama aşağıda anlatılacağı gibi pil çevrim ömrünü de kısaltabilir.

“Pilin uzun ömürlü olması için ne yapmalıyım?”

Pilden, tek bir şarj ile elde edilebilecek toplam yük, pil kapasitesi olarak adlandırılır ve pil kapasitesini etkin kullanmanın yolu, ekran ışığını düşük tutmak, gereksiz uygulamaları kapatmak gibi, pil dışı yollardan geçer. Pil kapasitesi ampersaat ile ölçülür.

Pil çevrim ömrü ise pilin, tasarlanan kapasitesinin %80’i seviyesine inmesi için gereken şarj/deşarj çevrim sayısı olarak tanımlanır. Bu bölümde bahsedeceğimiz yöntem, çevrim sayısı olarak tanımlanan pil ömrünü, dolayısıyla bir cep telefonu pilinin değiştirilmesi için gereken süreyi uzatmak için kullanılabilir.

Pil ömrünü düşüren en önemli etken pil içerisindeki yan tepkimelerdir. Pil sisteminin tasarımında beklenen şarj ve deşarj tepkimeleri pilin enerji depolamasını ve depolanan enerjinin tekrar açığa çıkmasını sağlayan tepkimelerdir. Buna rağmen, bilinen her bir pil kimyası için, istenmeyen yan tepkimeler de bulunur. Bu yan tepkimeler, genellikle geri dönüşü olmayan (teknik adıyla “tersinir olmayan”) tepkimelerdir ve bu yüzden oluşan ürünler bir sonraki şarj/deşarj döngüsünde geri dönüşemezler. Başka bir deyişle bu yan tepkimeler pil içerisinde bulunan şarj/deşarjda aktif malzemelerin aktif olmayan malzemelere dönüşmesini sağlar. Yan tepkimelerin azaltılması pil ömrünü uzatan en önemli unsurdur.

Üreticiler, yan tepkimelerin en aza indirilmesi için pil içerisine farklı katkı malzemeleri eklemek ve pil bileşenlerini buna göre tasarlamak gibi yollara gidiyorlar. Bu yollar tüketici olarak bizi çok ilgilendirmese de bazı üreticiler, bizim ders çıkarabileceğimiz başka bir yol da izliyor. Bu konuyu anlamak için Japon Yuasa firmasının aynı kimyaya sahip iki farklı pilinin verilerini aşağıdaki tabloda karşılaştırıyoruz.^[3]Yuasa LIM Serisi Spesifikasyonları https://www.gs-yuasa.com/en/products/pdf/LIM_Series.pdf Son Erişim Tarihi: 10.09.2021

Tabloda göreceğimiz gibi, aynı pil hücresi kullanan ama elektronik olarak kontrol edilen (şarj ve deşarj seviyeleri sınırlandırılan) pillerde, kapasite arttığında, üreticinin garanti ettiği şarj/deşarj çevrim sayısı azalıyor. Bunun ana sebebi pillerin şarj seviyeleri en yüksek veya en düşük olduğunda pilin sağladığı gerilimin nominal seviyelerden uzaklaşması. Pildeki gerilim nominal seviyelerden uzaklaştıkça, yukarıda bahsedilen yan tepkimeler artarak gerçekleşiyor. Bu yüzden, pillerin daha yüksek çevrim sayılarına ulaşmalarının en kolay yolu, gerilim seviyelerini nominal gerilim seviyelerinde tutmaktır. Bu gerilim seviyelerini sağlamanın tek yolu da pili toplamda düşük bir kapasite ile, takriben %20-%80 arasında çalıştırmaktan geçer. Yukarıda bahsettiğimiz Yuasa örneğinde olduğu gibi, bu pil kapasitesinin tamamının kullanılmaması anlamına gelir.

Cep telefonu endüstrisinde pilin %100-%0 arasında çalışabilmesi istenir. Bunun ana sebebi, kullanıcıların genelde tek şarjla ulaşılabilen çalışma süresini, pilin çevrim ömründen daha fazla önemsemesidir. Bu yüzden, elektronik olarak pilin en uç şarj ve deşarj noktalarına kadar kullanılmasına izin verir. Burada, uzun çevrim ömrü için kullanıcıların yapabileceği, mümkün olduğunca aşırı şarj ve aşırı deşarj durumlarından kaçınmak olacaktır. Bu yüzden, pil tam deşarj olmadan şarja takmak ve tam şarj olmadan çıkarmak pil çevrim ömrünü uzatacaktır.

“Telefonu ilk aldığımda 24 saat şarjda bırakmazsam sonra şarj tutmuyor”

Telefonun ilk şarjında halk arasında “şoklama” olarak da adlandırılan 12 saat ya da bir günlük uzun bir şarj işleminin pilin performansı için önemli olduğu iddiasını son 20 yıldır farklı şekillerde duyuyoruz. Bunun gereksiz bir uygulama olduğunu hemen söylemeliyiz.

Montaj hattından çıkan bir pil, pilin şarj ya da deşarj sonunda bulunduğu kimyasal durumda bulunmaz. Üretimin son aşaması olarak, bir “formasyon” şarjı uygulanır. Formasyon işlemi belirli sıcaklıkta, her bir üreticinin ticari sır olarak sakladığı yöntemlerle, dikkatli kontroller ile yapılan bir işlemdir. Bu işlemin sonucunda piller şarjlı haldeki kimyasal duruma gelirler ve son kalite kontrollerinden geçerek fabrikadan çıkarlar. Pil fabrikasından çıkan piller, telefon üreticisine ulaştıktan sonra telefon üzerinde test edilirler ve sonra da tüketiciye doğru yola çıkarlar.

Herhangi bir pil üreticisinin, formasyon şarjından geçmemiş bir pili piyasaya sürmesi ya da formasyon şarjının kullanıcı tarafından yapılmasını beklemesi kesinlikle düşünülemez.

Uzun süre telefonun şarjda kalması, gelişmiş elektronik şarj cihazları sayesinde (daha önce bahsettiğimiz gibi pil ömrünü etkilese de) pile ya da telefona bir zarar vermeyecektir, ancak herhangi bir kazanç da sağlamaz.

“Şarjda bırakırsam pil yanar mı? Yanan piller neden yanıyor”

Doğru tasarlanmış bir pil ve doğru tasarlanmış bir şarj cihazı ile herhangi bir pilin yanması mümkün değildir. Farklı kaynaklarda gördüğümüz kaza haberleri için ayrıntılı bilgi elde etmek mümkün olmasa da havacılık alanında yaşanmış kazalar ile ilgili raporlara erişim mümkün.^[4]Amerika Birleşik Devletleri Ulaşım Güvenliği Dairesi Kaza Raporları https://www.ntsb.gov/Pages/Search.aspx?k=battery%20accident Son Erişim Tarihi: 11.9.2021 Bu raporlarda, pil kimyasından bağımsız olarak, kazaların neredeyse hepsinin, pillerde meydana gelen fiziksel bir hasardan kaynaklandığı görülüyor. Özellikle baş üstü dolaplarında, ya da koltuk ceplerinde kalem ya da anahtar yanında bulunan cihazlar içerisindeki pillerin fiziksel olarak zarar gördüklerinde yandıkları görülmüş.

Telefon dünyasında bilinen en önemli pil vakası, Samsung Galaxy Note 7’de yaşanan problemdi. Bu vakanın ayrıntıları incelendiğinde, yukarıdaki örneklere benzer olarak bir sıkışma problemi olduğu görülmüştü. Farklı üreticilerden temin edilen plastik parçaların bazıları istenenden bir miktar küçük olduğu için bu parçaların arasına konan pilleri sıkıştırdıkları ve bu sıkışmadan dolayı pil içerisinde bir kısa devre oluştuğu firma tarafından açıklandı.^[5]Samsung Şirketi Tarafından yapılan açıklama hakkındaki haber https://www.bbc.com/news/business-38714461 Erişim tarihi: 11.9.2021

Güvenlik konusunda bahsedilmesi gereken bir diğer konu, pilden ya da zaman zaman pil dışı etkilerden dolayı olan ısınmaların pil içerisinde ısıl kaçış (thermal runaway) olarak adlandırılan etkiye yol açmasıdır. Pillerden beklenen, düşük bir hacim içerisinde yüksek enerji depolamalarıdır. Eğer bir pilin iki kutbu birbirine temas ederse, pil olabilecek en yüksek hızda deşarj olur. Pillerin içerisinde iki elektrotun birbirine temasını, seperatör adı verilen, polietilen bir ayraç engeller. Yaklaşık 60^oC de eriyen bu ayraçlardan birinin iç ya da dış kaynaklı ısıdan dolayı erimesi elektrotların temasını engelleyemez ve pilin çok hızlı bir şekilde deşarjına neden olur.  Bu deşarj, sıcaklığı artırarak etraftaki ayraçların ve diğer pil hücrelerinin de aynı şekilde ısınmalarına ve hızlı bir şekilde yanmalarına sebep olur. Çığ etkisi ile çok hızlı şekilde büyüyen bu olaya ısıl kaçış adı verilir; pil yangınlarının şiddetli olmalarının baş sebebi budur.

Kullanıcı tarafında yapılması gereken, pilin ya da telefonun ısınması durumunda ısınmaya sebep olan etkinin bulunup durdurulmasıdır. Bu bazen bir uygulama, bazen kullanılan şarj kablosu, bazen de güneş ışığı olabilir. Önemli olan, ısınmanın olabildiğince asgaride tutulmasıdır.

“Cep telefonu pilleri çöpe atılabilir mi? Geri dönüşümleri mümkün mü?”

Telefon pillerinin çöpe atılması uygun değildir. Telefon pili kimyasının ayrıntıları markalar arasında farklar gösterse de, her pilde yüksek miktarda hekzaflorofosfat iyonu bulunur. Bu iyon, hidroflorik asite dönüşme riski içerir ve hidroflorik asit canlılara zararlıdır.^[6]Hydrogen Fluoride/Hydrofluoric Acid: Systemic Agent, The National Institute for Occupational Safety and Health, CDC, https://www.cdc.gov/niosh/ershdb/EmergencyResponseCard_29750030.html Bu açıdan bu pillerin doğru şekilde bertaraf edilmeleri önemlidir.

Geri dönüşümleri için farklı pilot çalışmalar olsa da henüz  geri dönüşüm problemi çözülmüş değil. Burada birkaç temel neden var. Bunlardan ilki ve en önemlisi pil içerisinde çok fazla ve farklı bileşen olması. Bu bileşenlerden katı fazda olan bazılarını listelemek gerekirse, lityum, kobalt, nikel, mangan, karbon, polietilen, bakır ve alüminyum sayılabilir. Bunların her birinin ayrılıp saflaştırılmasının ekonomik olarak anlamlı bir yolu henüz bilinmiyor. Diğer ve yine önemli neden ise, pil kimyaları içerisindeki farklılıklar. Yukarıda bahsedilen gibi bir ayrıştırmayı ekonomik olarak anlamlı kılacak kadar aynı kimyada pilin toplanması ve ayrıştırılması henüz mümkün değil. Uzun vadede, bu konuda gelişmelerin olması, sürdürülebilirlik açısından kaçınılmaz olsa da, bugün itibariyle bir geri dönüşüm yöntemi bulunmuyor.^[7]Chemical and Engineering News dergisi, Lityum-iyon Pil Geri dönüşümü ile ilgili bir makalesi https://cen.acs.org/materials/energy-storage/time-serious-recycling-lithium/97/i28

Burak Ülgüt 
Bilkent Üniversitesi Kimya Bölümü (BAGEP 2020)