Baterija

Izvor: Vidipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Tipično pakiranje baterija.
Baterija je elektrokemijska naprava koja sadrži jednu ili više galvanskih ćelija u kojima je pohranjena kemijska energija koja se tada može upotrebljavati u električnom obliku. S druge strane, baterijom se može smatrati i niz sličnih galvanskih ćelija spojenih u seriju, no mnogo češće se misli samo na jedan članak. Pojam ćelije razlikuje se od pojma baterije; ćelija predstavlja jednostavnu elektrokemijsku napravu koja sadrži izvor električne energije nastao pretvorbom kemijske energije. Svaka galvanska ćelija sastoji se od tri komponente: anode (negativne elektrode koja otpušta elektrone), katode (pozitivne elektrode koja prihvaća elektrone) i elektrolita (medija koji omogućuje prijenos iona). Većina elektrolita danas je najčešće u tekućem agregatnom stanju, a često to može biti i voda s različitim dodacima kao što su kiseline, lužine i soli koji pospješuju prijenos elektrona. S druge strane, baterija se razlikuje od članka, a sastoji se od jedne ili više galvanskih ćelija, električno spojenih serijski ili paralelno, o kojima ovisi željeni napon i kapacitet baterijskog sklopa.
Replika bagdadske baterije
Povijest baterija počinje 1799. godine izumom talijanskog fizičara Alessandra Volte, no poznati je slučaj otkrića moguće uporabe baterija u antičko doba; tzv. "bagdadska baterija" pronađena je u Iraku, a pretpostavlja se da je služila za potrebe primitivne galvanizacije metala. Cilindrična keramička posuda, visine oko 130 mm, boje zemlje, nađena 1936. godine kraj Bagdada, sadrži bakreni cilindar koji se sastoji od spiralno omotanih bakrenih listova oko željeznog štapića, pri čemu su pri vrhu posude spomenuti metali električno izolirani nekom vrstom smole. Pretpostavlja se da se u posudu ulijevao elektrolit, odnosno neka prirodna tvar kao limunov sok ili sok grejpa, pa je cijeli sustav služio kao galvanska ćelija. Iako ovo otkriće izaziva mnoge dvojbe i spekulacije, zanimljivo je kao moguće otkriće na rubu znanosti, tehnološkog napretka neke davne civilizacije.

Elektrode

Određena kombinacija materijala anode i katode ključna je stavka koja će odrediti performanse, napon i kapacitet galvanskog članka. U praktičnoj primjeni, materijal anode bira se prema efikasnosti koju ima kao reducirajuće sredstvo, no važni su i parametri visokog kapaciteta po jedinici mase, dobra električna vodljivost, stabilnost, jednostavnost dobivanja i niska cijena. Materijal katode bira se prema sličnom principu, mora biti efikasan kao oksidirajuće sredstvo, stabilan u kontaktu s elektrolitom, a mora imati znatnu razliku potencijala u radu. U praktičnoj izvedbi baterija materijali anode i katode električno se izolirani najčešće mehaničkim separatorom, ali umočeni u elektrolit, kako bi se omogućilo djelovanje članka i spriječio izravan kratki spoj u unutrašnjosti članka. Primarne baterije imaju odgovarajući apsorpcijski materijal unutar separatora koji efikasno upija elektrolit i tada one nose naziv suhe ćelije.

Primarne i sekundarne baterije

Punjenje i pražnjenje galvanske ćelije.
Tehnologija primarnih i sekundarnih baterija znatno je napredovala posljednjih godina, no neki izvori energije poznati su već desetljećima, dok su druga tehnička rješenja tek nedavno dosegla komercijalnu primjenu. Danas na tržištu postoje dvije osnovne vrste baterija; to su primarne i sekundarne baterije, što je ujedno i prva njihova podjela iako obje vrste pretvaraju kemijsku energiju u električnu. Primarne baterije mogu se uporabiti samo jednom jer njihov elektrokemijski proces nije reverzibilan za razliku od sekundarnih baterija koje se mogu puniti više puta (zbog reverzibilnog elektrokemijskog procesa koji omogućuje protok električne struje u suprotnom smjeru od onog kada se baterija prazni). Nove vrste primarnih baterija visokog kapaciteta (poznatije kao Ultra, High Energy i Premium modeli) zauzimaju oko 40% tržišta, dok ostatak otpada na sekundarne baterije od kojih najveći udio imaju NiMH modeli. Primarne baterije nalaze primjenu u raznim elektroničkim i električnim sklopovima i napravama kao što su svjetiljke, satovi, daljinski upravljači, radio-aparati, igračke te računalnim komponentama za memorijski backup, a karakterizira ih manja struja pražnjenja, dobra trajnost i gotovo nikakvo održavanje. Sekundarne baterije, poznatije kao baterije za pohranu električne energije ili akumulatori, imaju dvije moguće primjene; kao uređaj za pohranu električne struje koji uobičajeno biva kontinuirano spojen na primarni izvor električne energije, a isporučuje energiju potrošačima po potrebi (ovakav primjer nalazimo primjerice u auto-industriji, avijaciji te UPS sustavima). U drugoj se primjeni sekundarne baterije prazne baš kao primarne, ali se pune tek nakon pražnjenja (ovakav primjer nalazimo u alatima, brojnoj i široko rasprostranjenoj konzumnoj elektronici, fotoaparatima, električnim vozilima i drugdje).

Primarne baterije

Najpoznatije vrste primarnih baterija su cink-ugljik te cink-klorid (veće trajnosti), alkalne i srebro-oksid baterije. Konstrukcija cink-ugljik baterija poznata je već desetljećima (kao i njihovi nedostaci), a sastoji se od ugljenog štapića koji je smjesa ugljika i mangan-dioksida koji služi kao pozitivna elektroda te posude od cinka koja je istovremeno negativna elektroda. U ovom slučaju elektrolit je smjesa cink-klorida i amonij-klorida namočenog u vodi. Napon članka iznosi oko 1,5V. Alkalne baterije, također napona članka 1,5 V, baziraju se na reakciji cinka i mangan-dioksida. Anoda kod tih baterija izrađena je od cinka u prahu, a katoda od mangan-dioksida. Za razliku od cink-ugljik baterija, kod ovog članka elektrolit je lužina, kalij-hidroksid umjesto amonij-klorida i cink-klorida. Alkalne baterije imaju znatno veći kapacitet, dolaze već potpuno napunjene, mogu se prazniti većim strujama te imaju visoki temperaturni koeficijent i dobru otpornost. Srebro-oksid baterije, napona članaka 1,5 V, imaju veliku trajnost i vrlo visoku učinkovitost po jedinici mase (130 Wh/kg), no cijena srebra ograničava njihovu širu primjenu pa se pretežno upotrebljavaju kao male dugmaste baterije za konzumnu elektroniku kao što su kalkulatori i ručni satovi, dok se profesionalna primjena tih baterija odnosi isključivo na vojnu industriju i mornaricu (primjerice napajanje torpeda). Kod ove baterije anoda je cink, a katoda srebrni oksid, dok je elektrolit najčešće natrij-hidroksid ili kalij-hidroksid.

Sekundarne baterije

Najpoznatije i najstarije vrste sekundarnih baterija su olovno-kiselinski te nikal-kadmij akumulator. Ostale vrste punjivih baterija kao što su nikal-metal hidrid i litij-ionske novijeg su datuma. Olovni akumulator opravdano se smatra najstarijom vrstom sekundarne baterije. Izumio ga je francuski fizičar Gaston Plante 1859. godine. Članak napona 2 V koji ima nisku cijenu a krasi ga mogućnost davanja visokih jačina struje u kratkom vremenu, zbog čega je našao vrlo široku primjenu u automobilskoj industriji kao primarni izvor električne energije za rad potrošača i pokretanje automobila. Svaka ćelija sastoji se od olova, odnosno olovnog dioksida, uronjenog u otopinu sulfatne kiseline koncentracije oko 37%. U ispražnjenom se stanju elektrode prevuku olovo(II)-sulfatom. Puštanjem istosmjerne struje kroz elektrode dolazi do kemijske reakcije, čiji je rezultat presvlačenje pozitivne elektrode olovo(IV)-oksidom, a negativna elektroda prelazi u olovo. Radi velikog kapaciteta, potrebna je i velika površina elektroda između kojih se nalazi separator (najčešće drvo, razni umjetni materijali, guma, porozni PVC i PE). Napunjenost olovnog akumulatora moguće je kontrolirati gustoćom elektrolita, koja kod punog članka iznosi oko 1,28 g/cm3, dok taj podatak za prazan akumulator iznosi oko 1,10 g/cm3. Pražnjenjem akumulatora obje elektrode presvlače se olovo(II)-sulfatom, a razlika potencijala se smanjuje. Nedostaci olovnog akumulatora su dubinsko pražnjenje ispod 1,8 V po članku, pri čemu se elektrode nepovratno sulfatiziraju, relativno velika masa po jedinici kapaciteta i nužno održavanje zbog izraženog samopražnjenja te mogućnost stvaranja eksplozivne smjese vodika i kisika uslijed elektrolize elektrolita. Novija izvedba olovnog akumulatora nalazi primjenu u elektronskim sklopovima, telefonskim centralama i medicinskoj opremi, a tada redovito dolazi u hermetički zatvorenoj (SLA) izvedbi.

Nikal-kadmij baterije

Tablični pregled karakteristika baterija.
Nikal-kadmij akumulator novijeg je datuma iako je poznat više od pedeset godina. Akumulator napona 1.2 V po članku, kapaciteta 40-60 Wh/kg, čije se elektrode sastoje od nikal(IV)-oksida i kadmija, smatrao sa godinama najboljim izborom za uređaje široke potrošnje, prvenstveno zbog velikog kapaciteta, niskih proizvodnih troškova te opcije pražnjenja velikim jačinama struje i mogućnosti izravne primjene umjesto standardnih cink-ugljik baterija. Postoje dvije osnovne skupine NiCD baterija; hermetički zatvorene i ventilirajuće baterije. Hermetički zatvorene poznatije su u široj primjeni (bežični telefoni, igračke, rasvjeta u nuždi, električni alati i ostalo) a mogu se primjenjivati pojedinačno ili grupno u serijskom ili paralelnom spoju. Napon ovog članka iznosi 1,2V, što je niže od uobičajenih 1,5V kod primarnih baterija pa izravna zamjena nije moguća u svim uvjetima. Efikasnost iznosi 70-90%. Iako su NiCD baterije izumljene prije 1900. godine, prva komercijalna primjena započela je tek 1946. godine u SAD-u, kada su baterije dobile manji i kompaktan džepni oblik, kemijski i fizički konkurentan olovnom akumulatoru, zahvaljujući sinteriranim (poroznim, sraštenim) pločama elektrodama NiCD akumulatora. Nedostaci ovih baterija su samopražnjenje i memorijski efekt, gubitak kapaciteta zbog kristalizacije kadmija koja smanjuje korisnu površinu elektroda, zbog čega je potrebno u potpunosti isprazniti baterije, a ujedno izbjegavati često nadopunjavanje jer je broj ciklusa punjenja/pražnjenja članka ograničen.

Nikal-metal hidrid i Li-Ion baterije

Akumulator čiji je sastav sličan prethodno opisanom NiCD članku (kapaciteta 30-80 Wh/kg) s bitnom razlikom što je kod ovog tipa sekundarnih članaka toksični kadmij zamijenjen ekološki prihvatljivim hidridom metala (spojem vodika i metala), odnosno vodikom jer su ioni vodika smješteni u strukturi metalnog hidrida. Metalni hidrid u ovisnosti o strukturi može sadržavati od jedan do sedam posto vodika u masenom udjelu. Mnogi hidridi metala postoje u elementarnom stanju, no nisu pogodni za primjenu u NiMH baterijama. Za konstrukciju baterija upotrebljavaju se legure metala kao što su lantan, cezij i titan ili primjerice nikal, kobalt, mangan te volfram ili krom. Postoje četiri skupine metalnih hidrida koje se upotrebljavaju, a svaka od njih ima dvije komponente metala iz koje se sastoji. Elektrode kod NiMH baterija izvedene su slično kao konstrukcija elektrolitskog kondenzatora; dvije folije elektroda omotane su između slojeva separatora. Za razliku od NiCD tu je i veća gustoća energije, kao i veća otpornost na neželjenu kristalizaciju. Tip baterije, koji je danas uz Li-Ion baterije najbrojniji na tržištu baterija za male elektronske uređaje koji je donekle zadržao boljke prethodno opisanog članka, što uključuje napon od 1,2 V i pojavu samopražnjenja. Prvi modeli NiMH akumulatora pojavili su se osamdesetih godina prošlog stoljeća, a u široku primjenu ušli su dva desetljeća kasnije. NiMH baterije podnose velike struje pražnjenja, a mogu se puniti jakim strujama (petina kapaciteta) te ne pate od memorijskog efekta, no loše podnose punjenje koje traje vremenski duže no što je potrebno. Zbog toga za punjenje ove vrste baterija uglavnom nisu pogodni punjači za NiCD baterije, već punjači sa ∆V kontrolom ili timerom. Prošle godine na tržištu su se pojavile nove vrste NiMH baterija kod kojih je samopražnjenje svedeno na minimum; zbog uporabe novih separatora kapacitet se zadržava na razini od 70-85% tijekom jedne godine.

Litij-Ion baterije imaju veliki kapacitet po jedinici mase (160 Wh/kg) a mogu imati napon od 1,5 do max 4,2 V po članku, što je više od ostalih vrsta baterija. Ne pate od memorijskog efekta, a polako potiskuju NiMH baterije jer nalaze široku primjenu u mobilnim telefonima, prijenosnim računalima te ostaloj informatičkoj i elektronskoj opremi. Karakterizira ih mogućnost oblikovanja prema potrebi i veličini uređaja, a spomenimo i neznatno samopražnjenje ćelije od oko 5% mjesečno, što je u usporedbi s ostalim sekundarnim baterijama odličan rezultat. Za razliku od svih ostalih punjivih baterija, Li-Ion baterije imaju relativno malu masu i odličan omjer kapaciteta po jedinici mase. Mnogi modeli ovih baterija opremljeni su elektronskim sklopom koji prati napon i stanje baterije. Ovaj elektronski sklop uglavnom je glavni krivac za pojavu samopražnjenja kod Li-Ion baterija. Nedostaci ovih baterija su gubitak kapaciteta u uvjetima povišene temperature (konkretan primjer kod baterija prijenosnih računala), a starenjem članka povećava se njegov unutarnji otpor, što se svodi na smanjenje jačine struje koji Li-Ion baterija može dati. Uglavnom, ove vrste baterija imaju kraći životni vijek od spomenutih NiMH baterija.

Hibridne NiMH baterije

Na tržištu su se nedavno pojavile nove vrste hibridnih NiMH baterija čija je osnovna karakteristika drastično smanjenje pojave samo-pražnjenja tijekom vremena. Jednom napunjene održati će naboj članka tijekom cijele godine. Ostalim modelima baterija to je nedostižno obično već nakon tri tjedna pohrane. Naime poznato je da sve NiMH baterije dnevno izgube između 1 do 3% kapaciteta članka. Funkcionalnost ovih baterija posve je jednaka u hladnim zimskim mjesecima, a posebno se preporučuju za potrošače s dubinskim pražnjenjem kao što su fotoaparati i bljeskalice. Ove baterije, poznate pod nazivima Ready2Use, "low-self discharge" ili pak "hibridne" baterije dolaze na tržište pod različitim imenima. Ipak, valja imati na umu da samu tehnologiju razvijaju svega dvije tvrtke: Sanyo te Gold Peak (GP), a svi ostali proizvođači jednostavno rade rebranding OEM baterija ovih dvaju proizvođača.

U novoj Eneloop seriji proizvoda, Sanyo je samo-pražnjenje preusmjerio na mjesečni period, čime je postignuto zadržavanje 85 do 90% nazivnog kapaciteta baterije tijekom jedne godine, odnosno 70% kapaciteta tijekom dvije godine na sobnoj temperaturi. Revolucionarno poboljšanje postignuto je novim, tanjim separatorima između elektroda NiMH baterije koji su zasićeni demineraliziranom vodom, rešetkasta katoda izrađena je od novih vrsta legura a elektrolit unaprijeđen. Upotreba novih tehničkih rješenja za zasad onemogućuje postizanje većih kapaciteta od 2100 mAh, no za očekivati je kako će se kapaciteti u budućnosti približiti sada aktualnim na tržištu. Eneloop baterije (kao i druge baterije koje koriste sličnu tehnologiju) isporučuju se od proizvođača napunjene i spremne za trenutnu uporabu. Za sada se proizvode samo u AA (2000-2100 mAh) te AAA (800 mAh) veličinama. Za EU tržište baterije ne dolaze potpuno napunjene već samo do razine od 75%. Posve je izvjesno - ovakve hibridne baterije su u trendu i za očekivati je kako bi se njihov udio na tržištu u skoroj budućnosti trebao značajno povećati.

Vanjske poveznice