Baterijos (akumuliatoriai): apibrėžimas, tipai ir istorija
Sužinokite, kas yra baterijos ir akumuliatoriai, jų tipai, veikimo principas, istorija nuo 1859 m. ir praktiški panaudojimo pavyzdžiai — nuo smulkių iki pramoninių.
Cheminis elementas cheminę energiją paverčia elektros energija. Dauguma baterijų yra cheminiai elementai: akumuliatoriuje vyksta cheminė reakcija, dėl kurios teka elektros srovė. Šią reakciją lemia medžiagų, vadinamų anodu, katodu ir elektrolytu, savybės — keičiantis jų cheminėms būsenoms, išlaisvėja arba surenkama energija, kurią galima naudoti elektros grandinėje.
Yra du pagrindiniai akumuliatorių tipai - įkraunami ir neįkraunami. Kiekvienas tipas turi savų privalumų ir trūkumų, todėl parinkimas priklauso nuo paskirties (vienkartinis naudojimas, ilgalaikė talpa, galingumas, kaina ir kt.).
Neįkraunamas akumuliatorius elektros energiją tiekia tol, kol jame esančios cheminės medžiagos sunaudojamos. Tuomet jis tampa nebenaudinga ir paprastai išmetamas arba perdirbamas. Tokį sprendimą galima apibūdinti kaip "naudok ir išmesk". Dažniausi neįkraunami tipai: cinko-anglies (anglies-cinko), alkaliniai (mangano dioksido ir cinko) bei kai kurie ličio vienkartiniai elementai — jie pasižymi paprastumu, žema kaina ir stabilia nominalia įtampa (pvz., 1,5 V arba 3 V).
Įkraunamą akumuliatorių galima įkrauti praleidžiant per jį elektros srovę atgal; tada jį vėl galima naudoti mažesniam arba didesniam elektros kiekiui gaminti. Šias įkraunamas baterijas 1859 m. išrado prancūzų mokslininkas Gaston Planté — jis sukūrė pirmąją praktišką švino rūgštinę bateriją. Vėliau atsirado daug kitų įkraunamų tipų, kurių savybės gerėjo: NiCd (nikelio–kadmio), NiMH (nikelio–metalo hidrido), Li-ion (ličio jonų) ir LiPo (ličio polimerų) akumuliatoriai, kuriuos šiandien plačiai naudoja elektronikoje ir transporto priemonėse.
Kaip veikia akumuliatoriai
Akumuliatorius susideda iš dviejų elektrodo medžiagų (anodo ir katodo) ir elektrolyto, kuris leidžia jonams judėti tarp jų. Kai grandinė uždaroma, vyksta oksidacijos ir redukcijos reakcijos: vienas elektrodas atiduoda elektronus (oksidacija), kitas priima (redukcija). Elektronų srautas per išorinę grandinę — tai elektros srovė. Įkrovimo metu šis procesas vyksta priešinga kryptimi (esant tam tikroms baterijų cheminėms savybėms), atstatant pradinę cheminę būseną.
Dažniausi akumuliatorių tipai ir jų savybės
- Neįkraunami (pirminiai) elementai: cinko–anglies (pigus, maža talpa), alkaliniai (dideli šiuolaikiniai vienkartiniai elementai), ličio vienkartiniai (ilgai laiko laikantis, didelė energijos tankis).
- Įkraunami (antriniai) akumuliatoriai: švino rūgštiniai (automobilio akumuliatoriai — didelė srovė paleidimui), NiCd (atsparūs temperatūros pokyčiams, bet turi nuodingą kadmį), NiMH (geresnė talpa nei NiCd, mažesnis atminties efektas), ličio jonų ir ličio polimero (aukštas energijos tankis, mažesnis svoris, šiandien populiariausi telefonuose, nešiojamuose kompiuteriuose, elektros automobiliuose).
Pagrindiniai techniniai parametrai
- Talpa: matuojama ampervalandomis (Ah) arba miliampervalandomis (mAh) — rodo, kiek srovės baterija gali tiekti tam tikrą laiką.
- Nominali įtampa: priklauso nuo chemijos (pvz., 1,5 V alkaliniams, ~2 V švino rūgštiniams, 3,6–3,7 V ličio jonams).
- Energijos tankis: kiek energijos galima sutalpinti į vienetą masės arba tūrio — svarbu nešiojamiems įrenginiams ir transportui.
- Ciklo trukmė ir ilgaamžiškumas: kiek kartų akumuliatorius gali būti įkraunamas ir iškraunamas prieš prarandant reikšmingą talpą.
- Savisiurbis: energijos praradimo greitis stovint — įvairūs tipai turi skirtingą savaiminio išsikrovimo lygį.
Saugumas, priežiūra ir perdirbimas
Saugumas: kai kurios baterijų chemijos (pvz., ličio jonai) gali būti užsidegančios ar sprogti esant pažeidimams, netinkamam krovimui arba perkaitus. Neapdorotos arba pažeistos baterijos neturėtų būti trumpai sujungtos arba ardytos. Visada naudokite tinkamą įkroviklį, skirtą konkrečiam akumuliatoriui.
Priežiūra: švino rūgštinius akumuliatorius reikėtų tikrinti skysčio lygius (kai kuriems tipams) ir apsaugoti nuo gilios iškrovos; ličio akumuliatoriams svarbu vengti per didelio įkrovimo ir per didelės iškrovos bei ekstremalių temperatūrų.
Perdirbimas ir aplinkosauga: daugeliu atvejų baterijos turi būti perduodamos specialioms atliekų surinkimo vietoms arba perdirbimo centrams, nes jose gali būti švino, kadmio, nikelio ar kitų pavojingų medžiagų. Teisingas šių atliekų tvarkymas sumažina taršą ir leidžia atgauti vertingus metalus.
Istorija trumpai
Pirmasis elektros šaltinis buvo Voltos elemtentas (Voltaic pile), sukurtas Alessandro Volta XIX a. pradžioje — tai buvo vienas pirmųjų cheminės energijos keitiklių. Vėliau, 1859 m., prancūzų inžinierius Gaston Planté išrado pirmąją praktišką daugkartinę švino rūgštinę bateriją. Per XX a. vystėsi naujos chemijos: Waldemar Jungner 1899 m. sukūrė NiCd elementą, vėliau atsirado NiMH, o XX a. pabaigoje ir XX a. pabaigoje — ličio pagrindu veikiantys akumuliatoriai, kurie tapo pagrindiniu energijos šaltiniu daugelyje nešiojamų ir stacionarių sistemų.
Panaudojimas
Akumuliatoriai naudojami labai plačiai: mažiems vartotojiškiems prietaisams (nuotolinio valdymo pultai, žaislai), elektronikai (telefonai, nešiojami kompiuteriai), transportui (automobilių starteriai, hibridiniai ir elektriniai automobiliai), stacionariems energijos kaupikliams (atsarginėms ir saulės energijos sistemoms) bei specialiai įrangai, pavyzdžiui, povandeniniams laivams, kur reikalinga didelė energijos talpa ir patikimumas.
Renkantis bateriją, verta įvertinti jos chemiją, talpą, nominalią įtampą, saugumo reikalavimus ir galimybes perdirbti — tai padės pasirinkti tinkamiausią sprendimą tiek kasdieniams prietaisams, tiek pramoniniams ar transporto poreikiams.
Cheminių ląstelių tipai
- Paprasta ląstelė
- Sausas elementas
- Šlapias elementas
- Kuro elementas
- Saulės elementas
- Elektros elementas
Elektrocheminiai elementai
Itin svarbi oksidacijos ir redukcijos reakcijų klasė naudojama naudingai elektros energijai akumuliatoriuose gauti. Paprastą elektrocheminį elementą galima pagaminti iš vario ir cinko metalų ir jų sulfatų tirpalų. Vykstant reakcijai, elektronai iš cinko į varį gali būti perduodami elektrai laidžiu keliu kaip naudinga elektros srovė.
Elektrocheminis elementas gali būti sukurtas metalinius elektrodus įdėjus į elektrolitą, kuriame vykstant cheminei reakcijai naudojama arba sukuriama elektros srovė. Elektrocheminiai elementai, kuriuose susidaro elektros srovė, vadinami voltiniais arba galvaniniais elementais, o įprastos baterijos susideda iš vieno ar daugiau tokių elementų. Kituose elektrocheminiuose elementuose cheminei reakcijai, kuri savaime neįvyktų, skatinti naudojama iš išorės tiekiama elektros srovė. Tokie elementai vadinami elektrolitiniais elementais.
Volto elementai
Elektrocheminį elementą, kuriame teka išorinė elektros srovė, galima sukurti naudojant bet kokius du skirtingus metalus, nes metalai skiriasi savo polinkiu prarasti elektronus. Cinkas lengviau praranda elektronus nei varis, todėl cinko ir vario metalus įdėjus į jų druskų tirpalus, elektronai gali tekėti išoriniu laidu, kuris veda iš cinko į varį. Kadangi cinko atomas suteikia elektronų, jis tampa teigiamu jonu ir patenka į vandeninį tirpalą, sumažindamas cinko elektrodo masę. Vario pusėje gauti du elektronai leidžia iš tirpalo gautą vario joną paversti neįkrautu vario atomu, kuris nusėda ant vario elektrodo ir padidina jo masę. Šios dvi reakcijos paprastai užrašomos taip
Zn(s) --> Zn2+(aq) + 2e
Cu2+(aq) + 2e- --> Cu(s)
Raidės skliausteliuose tik primena, kad cinkas iš kietojo kūno (s) pereina į vandens tirpalą (aq), o varis - atvirkščiai. Elektrochemijoje šiuos du procesus, vykstančius dviejuose elektroduose, įprasta vadinti "pusreakcijomis".
| Zn(s) -> Zn2+(aq) + 2e |
|
| Cu2+(aq) + 2e- -> Cu(s) |
Kad volto elementas ir toliau gamintų išorinę elektros srovę, tirpale esantys sulfato jonai turi judėti iš dešinės į kairę, kad subalansuotų elektronų srautą išorinėje grandinėje. Patys metalo jonai turi būti apsaugoti nuo judėjimo tarp elektrodų, todėl tam tikra porėta membrana ar kitas mechanizmas turi užtikrinti selektyvų neigiamų elektrolito jonų judėjimą iš dešinės į kairę.
Elektronams judėti nuo cinko iki vario elektrodo reikia energijos, o energijos kiekis, tenkantis voltamperinio elemento krūvio vienetui, vadinamas elemento elektromagnetine jėga (emf). Energija, tenkanti krūvio vienetui, išreiškiama voltais (1 voltas = 1 džauliui / kulonui).
Akivaizdu, kad norint gauti energijos iš ląstelės, reikia gauti daugiau energijos, išsiskiriančios oksiduojant cinką, nei reikia variui redukuoti. Iš šio proceso elementas gali gauti baigtinį energijos kiekį, nes procesą riboja elektrolite arba metaliniuose elektroduose esančios medžiagos kiekis. Pavyzdžiui, jei vario pusėje būtų vienas molis sulfato jonų SO42-, tuomet procesas apsiriboja dviejų molių elektronų perdavimu per išorinę grandinę. Elektros krūvio kiekis, esantis viename molyje elektronų, vadinamas Faradėjaus konstanta ir yra lygus Avogadro skaičiui, padaugintam iš elektrono krūvio:
Faradėjaus konstanta = F = ANe = 6,022 x 1023 x 1,602 x 10-19 = 96,485 Kulonų/moliui
Volto elemento gaunamą energiją nusako elemento įtampa, padauginta iš perduotų elektronų molių skaičiaus ir Faradėjaus konstantos.
Elektros energijos išeiga = nFE
Elemento emf Ecell galima numatyti pagal dviejų metalų standartinius elektrodų potencialus. Cinko ir vario elementui standartinėmis sąlygomis apskaičiuotas elemento potencialas yra 1,1 V.
Paprasta ląstelė
Paprastas elementas paprastai turi vario (Cu) ir cinko (Zn) plokšteles praskiestoje sieros rūgštyje. Cinkas ištirpsta ir ant vario plokštelės atsiranda vandenilio burbuliukų. Šie vandenilio burbuliukai trukdo tekėti srovei, todėl paprastasis elementas gali būti naudojamas tik trumpą laiką. Kad srovė tekėtų pastoviai, reikia depoliarizatoriaus (oksidatoriaus), kuris oksiduotų vandenilį. Danielio elemente depoliarizatorius yra vario sulfatas, kuris keičia vandenilį į varį. Leclanche'o akumuliatoriuje depoliarizatorius yra mangano dioksidas, kuris vandenilį oksiduoja į vandenį.
Paprasta ląstelė
Danieliaus ląstelė
1836 m. anglų chemikas Johnas Frederickas Danielis sukūrė voltamperinį elementą, kuriame naudojo cinką ir varį bei jų jonų tirpalus.
Pagrindinis
- Cinko strypas = neigiamas gnybtas
- 2HSO4 = praskiestas sieros rūgšties elektrolitas
- Porėtas puodas atskiria du skysčius
- CuSO4 = vario sulfato depoliarizatorius
- Varinis puodas = teigiamas gnybtas
Danielio ląstelės schema
Klausimai ir atsakymai
Klausimas: Kas yra cheminė ląstelė ir kokia jos paskirtis?
Atsakymas: Cheminis elementas - tai prietaisas, kuris cheminę energiją paverčia elektros energija. Jo paskirtis - gaminti elektros srovę vykstant cheminei reakcijai.
K: Kokios yra dauguma baterijų?
A: Dauguma baterijų yra cheminiai elementai.
K: Kas vyksta akumuliatoriaus viduje, dėl ko teka elektros srovė?
A: Baterijos viduje vyksta cheminė reakcija, dėl kurios teka elektros srovė.
K: Kiek yra baterijų rūšių ir kokios jos yra?
A: Yra du pagrindiniai akumuliatorių tipai - įkraunami ir neįkraunami.
K: Kas atsitinka, kai išsikrauna neįkraunama baterija?
A.: Neįkraunama baterija elektros energiją tiekia tol, kol joje esančios cheminės medžiagos sunaudojamos. Tuomet ji tampa nebereikalinga ir ją galima išmesti.
Klausimas: Kas ir kada išrado įkraunamąsias baterijas?
A: Įkraunamas baterijas 1859 m. išrado prancūzų mokslininkas Gastonas Plante'as.
K: Ar baterijos gali būti skirtingo dydžio ir koks yra prietaiso, kuriam reikia didelės baterijos, pavyzdys?
A: Taip, baterijos gali būti įvairių formų ir dydžių. Prietaiso, kuriam reikia didelės baterijos, pavyzdys yra povandeninis laivas.
Ieškoti