W dzisiejszych czasach, choć większość urządzeń elektrycznych ma możliwość stałego podłączenia do prądu z gniazdka, użycie baterii jest wręcz powszechne. W domu takimi sprzętami są na przykład zegary ścienne, alarmy lub czujniki dymu. W garażach natomiast trzymamy samochody lub motocykle, które wykorzystują stosunkowo duże baterie, jakimi są ich akumulatory.
Co więcej, o ile przez poprzednich kilkadziesiąt lat technika baterii użytkowanych w domach właściwie stała w miejscu, tak pojawienie się smartfonów, tabletów, laptopów i pojazdów elektrycznych zdecydowanie badania nad mocnymi bateriami, które mogą pracować dłużej i dostarczać więcej energii. Badania nad rozwojem akumulatorów doczekały się nawet nagrody Nobla w dziedzinie chemii za rok 2019. Została ona przyznana trzem naukowcom: Johnowi Goodenough, M. Whittinghamowi i Akirze Yoshino za opracowanie szczególnie popularnych dziś akumulatorów litowo-jonowych.
Czym w ogóle jest bateria?
Z technicznego punktu widzenia bateria to dość proste urządzenie, które przechowuje energię elektryczną w postaci chemikaliów i za pomocą reakcji elektrochemicznej przekształca zmagazynowaną energię chemiczną w energię elektryczną prądu stałego. Alessandro Volta, włoski fizyk, wynalazł pierwszą nowoczesną baterię w 1800 roku, choć podobne konstrukcje – chociażby słynna bateria z Bagdadu (służąca prawdopodobnie do galwanizacji) były konstruowane już w starożytności. Reakcja elektrochemiczna w akumulatorze polega na przenoszeniu elektronów z jednego materiału na drugi (tzw. elektrod) za pomocą prądu elektrycznego.
Bateria, choć zwykle ma zwartą budowę, niemal zawsze składa się z jednego lub kilku ogniw, które są połączone elektrycznie w konfiguracji szeregowej lub równoległej, aby zapewnić niezbędne poziomy napięcia i prądu.
Podstawowy podział baterii
W zasadzie wszystkie ogniwa i baterie elektrochemiczne są podzielone na dwa typy:
- nieładowalny
- ładowalny
Chociaż istnieje kilka innych klasyfikacji w ramach tych dwóch typów baterii, te dwa są podstawowymi typami. Mówiąc najprościej, baterie pierwotne są bateriami jednorazowymi, czyli nie mogą być ładowane elektrycznie, podczas gdy baterie wtórne są bateriami wielokrotnego ładowania, czyli mogą być ponownie doładowywane.
Bateria smartfona jest typowym przykładem baterii ładowalnej
Baterie nieładowalne
Bateria podstawowa jest jednym z prostych i wygodnych źródeł zasilania dla kilku przenośnych urządzeń elektronicznych i elektrycznych, takich jak światła, aparaty fotograficzne, zegarki, zabawki, radia itp. Ponieważ nie mogą być ładowane elektrycznie, można je używać, a po rozładowaniu należy je utylizować (w wielu miejscach, np. sklepach są wystawione specjalne pojemniki na zużyte baterie, pod żadnym pozorem nie należy ich wyrzucać do śmietnika).
Zazwyczaj baterie tego typu są niedrogie, lekkie, małe i bardzo wygodne w użyciu. Większość baterii używanych w zastosowaniach domowych to baterie jednoogniwowe i zwykle występują w najbardziej typowej konfiguracji cylindrycznej potocznie nazywanej paluszkami.
Typy baterii nieładowalnych
Do lat siedemdziesiątych dominującym typem baterii pierwotnych były baterie anodowe cynkowe.
Przed rokiem 1990 opracowano baterie cynkowo-alkaliczne z dwutlenkiem manganu, które powoli zastępowały starsze typy cynkowo-węglowe. Ogniwa alkaliczne charakteryzują się znacznie lepszymi właściwościami użytkowymi, a przede wszystkim możliwością działania pod większym obciążeniem. Mają też większą trwałość i gęstość energii.
Jeszcze kilkadziesiąt lat temu używano także akumulatorów cynkowo-rtęciowych jednak wycofano je ze względu na zagrożenia dla środowiska, z którymi wiązała się ich utylizacja.
Po 1990 zaczęto eksperymentować z akumulatorami z litem jako aktywnym materiałem anodowym i jest to do dziś uważane za główne osiągnięcie badań w tym zakresie. Głównie ze względu na wysoką energię i dłuższy okres trwałości akumulatorów litowych w porównaniu z wcześniejszymi akumulatorami cynkowymi.
Baterie srebrowe — to specjalny rodzaj baterii o napięciu 1,55 V, który wykorzystuje się w urządzeniach wymagających stałego napięcia, np. w zegarkach, termometrach czy rozmaitych grach. Ich atutem jest najwyższy stosunek pojemności do masy spośród wszystkich ogniw galwanicznych.
Baterie ładowalne
Baterie wtórne, jak wspomniałem wcześniej, pozwalają na wielokrotne ładowanie. Ich ogniwa elektrochemiczne można „naładować” do pierwotnego stanu, przepuszczając przez nie prąd w kierunku przeciwnym do rozładowania.
Akumulatory wtórne są wykorzystywane na dwa sposoby. Jako urządzenia do magazynowania energii, w układzie, w którym są one na stałe połączone ze swoim głównym odbiorcą energii, ale także ładowane przez nie. Przykładami takich zastosowań są hybrydowe pojazdy elektryczne, zasilacze bezprzerwowe UPS itp.
Druga kategoria zastosowań baterii wtórnych to te zastosowania, w których bateria jest używana i rozładowywana jako bateria galwaniczna. Po całkowitym rozładowaniu (lub prawie całkowitym rozładowaniu) zamiast wyrzucania, akumulator jest ładowany za pomocą ładowarki. Przykładami zastosowania rozwiązań tego typu jest nowoczesna przenośna elektronika, chociażby telefony komórkowe, laptopy, czy coraz popularniejsze auta w pełni elektryczne.
Energia akumulatorów wtórnych jest niższa niż w przypadku akumulatorów pierwotnych, ale mają one inne ważne, przydatne w użytkowaniu cechy, takie jak wysoka gęstość mocy, wolniejsze rozładowywanie, a także wydajność w niskich temperaturach.
Typy baterii ładowalnych
Pierwsze i najczęściej używane akumulatory to akumulatory ołowiowo-kwasowe. Oparte są na parze elektrochemicznej Ołów – Dwutlenek Ołowiu. Elektrolitem używanym w tego typu akumulatorach jest bardzo powszechny kwas siarkowy. Akumulatory kwasowo-ołowiowe są zdecydowanie najpopularniejszymi i najczęściej używanymi akumulatorami. Akumulatory kwasowo-ołowiowe dostępne są w kilku różnych konfiguracjach od małych szczelnych ogniw o pojemności 1 Ah do dużych ogniw o pojemności 12 000 Ah. Jednym z głównych zastosowań akumulatorów kwasowo-ołowiowych jest przemysł motoryzacyjny, ponieważ są one używane głównie jako akumulatory rozruchowe w samochodach.
Drugi typ akumulatorów to baterie niklowo-kadmowe. Są one oparte na tlenku niklu jako elektrodzie dodatniej i elektrodzie ujemnej na bazie metalicznego kadmu. Baterie niklowo-kadmowe są jednym z najstarszych dostępnych obecnie typów baterii, obok akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Mają bardzo długą żywotność i są niezawodne. Jedną z głównych zalet akumulatorów niklowo-kadmowych jest to, że mogą być poddawane wysokim szybkościom rozładowania i mogą pracować w szerokim zakresie temperatur. Również żywotność baterii Ni-Cd jest bardzo długa. Koszt tych baterii jest jednak wyższy niż w przypadku baterii kwasowo-ołowiowych. Niestety istnieje jedna zasadnicza cecha akumulatorów Ni-Cd zwana „efektem pamięci”, która jest ich największą wadą. Kiedy ogniwa niklowo-kadmowe są częściowo rozładowywane, a następnie ponownie ładowane, tracą swoją pojemność.
Ostatnie lata to rozwój nowych typów akumulatorów, które można ponownie ładować. Są to akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe i litowo-jonowe. Model litowo-jonowy okazał się przełomowy i szybko zdobył rynkową przewagę dzięki wysokim wartościom energii właściwej i gęstości energii. Pojawienie się akumulatorów litowo-jonowych w ciągu ostatnich kilku dekad zrewolucjonizowało rynek. Obecnie stanowią one ponad 50% instalowanych akumulatorów. Prawie w całości opanowały rynek laptopów, tabletów, telefonów komórkowych i aparatów fotograficznych.
Akumulatory litowo-jonowe mają bardzo wysoką gęstość energii, wysoką energię właściwą i dłuższą żywotność. Inne główne zalety akumulatorów litowo-jonowych to wolne tempo samorozładowania i szeroki zakres temperatur pracy.
Popularne oznaczenia występujące na bateriach
AA – są to najpowszechniej używane baterie, potocznie nazywane paluszkami. Mogą być oznaczone symbolem R6 w wersji niealkalicznej i LR6 w wersji alkalicznej. Wymiary baterii „AA” to 14 mm średnicy i 50 mm wysokości. Napięcie znamionowe wynosi w nich 1,5 V, a pojemność od 1600 do ok. 2500 mAh.
AAA – z tym oznaczeniem spotkamy się na tzw. małych paluszkach. Ich inne oznaczenie to R03 w wersji zwykłej i LR03 w wersji alkalicznej. Napięcie znamionowe wynosi tu także 1,5 V. Wymiary baterii „AAA” to 10 mm średnicy i wysokość 44 mm. Ich p[pojemności są mniejsze niż normalnowymiarowych kuzynów – od 800 mAh do około 1200 mAh.
LR61 – kolejna odmiana „małych paluszków”. Wymiary tej baterii to 8,3 mm średnicy i wysokość 42,5 mm. Napięcie znamionowe wynosi w nich 1,5 V, a pojemność do 650 mAh.
R14 – większa bateria o cylindrycznym kształcie. Jej średnica to 23 mm, a wysokość 50 mm. Jej pojemność może sięgać 8000 mAh.
R20 – największa bateria cylindryczna. Ma 33 mm średnicy i 58 mm wysokości. Jej pojemność dochodzi do 21000 mAh.
Tomasz Sławiński
KOMENTARZE (0) SKOMENTUJ ZOBACZ WSZYSTKIE