Vynález batérie. História vynálezov. Batérie. Vytvorenie vlastného „Volta piliera“
Dnes si predstavte svoj život bez elektrické zariadenia veľmi ťažké. Navyše nehovoríme o veľkých domácich spotrebičoch, ale o malých zariadeniach, ktoré robia život oveľa pohodlnejším. Nástenné hodiny, diaľkové ovládače, baterky a mnohé iné malé zariadenia, na ktoré sme tak zvyknutí, sú napájané z prenosnej batérie. Na zabezpečenie ich stabilnej prevádzky stačí kúpiť nabíjateľné batérie. Ale tento zdroj energie sa objavil nie tak dávno!
História batérie
Prvý krok k vzhľadu batérie urobil vedec z Talianska Luigi Galvani, ktorý študoval reakcie živých organizmov na rôzne vplyvy. Podstatou jeho objavu bolo, že žabie stehno prejde prúd, keď dva prúžky z odlišné typy kov Vedec nedokázal vysvetliť, čo videl, ale výsledky jeho práce boli veľmi užitočné pre ďalšieho výskumníka, Alessandra Voltu. 
Tento Talian dokázal odhaliť podstatu procesu a uvedomil si, že vznik prúdu uľahčuje chemická reakcia, ku ktorej dochádza medzi rôzne kovy v určitom prostredí. Umiestnením zinkovej a medenej platne do soľného roztoku vytvoril prvú batériu primárnych článkov na svete, ktorú po ďalšom vývoji nazval „Voltov stĺp“. Bolo to v roku 1800.
Prvá batéria sa objavila oveľa neskôr - v roku 1859, keď Francúz Gaston Plante zopakoval pokus svojho kolegu s použitím slabého roztoku kyseliny sírovej a dvoch olovených platní. Zvláštnosťou tejto batérie bolo, že vyžadovala dobíjanie zo zdroja jednosmerného prúdu a potom sama dala výsledný náboj na vytvorenie elektriny.
Ďalšie dôležité dátumy v histórii vývoja batérií
1865 - Francúzsky vedec J.L. Leclanche vyvinul mangánovo-zinkový článok s fyziologickým roztokom.
1880 – F. Lalande vylepšil vynález svojho krajana pomocou zahusteného elektrolytu.
40-te roky XX storočia - boli vyvinuté strieborno-zinkové prvky.
50-te roky XX storočia - objavil sa prvok mangán-zinok s alkalickým roztokom, ako aj prvky ortuti-zinku.
60. roky 20. storočia - začala sa výroba zinkovo-vzduchových batérií.
70. roky XX storočia - prvýkrát boli použité zdroje lítiového prúdu.
V kontakte s
Spolužiaci
Prvý vynašiel náhodou koncom 17. storočia taliansky vedec Luigi Galvani. V skutočnosti cieľom Galvaniho výskumu vôbec nebolo hľadanie nových zdrojov energie, ale štúdium reakcie pokusných zvierat na rôzne vonkajšie vplyvy. Najmä fenomén generovania a toku prúdu bol objavený, keď boli pásiky dvoch rôznych kovov pripevnené k svalu nohy žaby. Galvani vypracoval nesprávne teoretické vysvetlenie pozorovaného procesu, no jeho experimenty sa stali základom pre výskum ďalšieho talianskeho vedca Alessandra Voltu, ktorý v skutočnosti sformuloval Hlavná myšlienka vynálezy - príčinou elektrického prúdu je chemická reakcia, ktorej sa zúčastňujú kovové platne. Na potvrdenie svojej teórie vytvoril Volt jednoduché zariadenie pozostávajúce zo zinkových a medených plátov ponorených do nádoby so soľným roztokom. Práve toto zariadenie sa stalo prvou autonómnou batériou na svete a predchodcom moderných batérií, ktoré sa na počesť Luigiho Galvaniho nazývajú galvanické články.
Moderné autonómne zdroje externé napájanie majú málo spoločného so zariadením vytvoreným Alessandrom Voltom, ale základný princíp zostáva nezmenený. Každá batéria pozostáva z troch hlavných prvkov - dvoch elektród, nazývaných anóda a katóda, a elektrolytu umiestneného medzi nimi. Výskyt elektrického prúdu je vedľajším produktom redoxnej reakcie prebiehajúcej medzi elektródami. Výstupný prúd, napätie a ďalšie parametre batérie závisia od zvolených materiálov anódy, katódy a elektrolytu, ako aj od konštrukcie samotnej batérie. Všetky batérie možno rozdeliť do dvoch veľkých tried – primárne a sekundárne. V primárnych batériách sú chemické reakcie nevratné a v sekundárnych batériách sú reverzibilné. V súlade s tým môžu byť sekundárne prvky, ktoré poznáme ako , obnovené (nabité) a znovu použité.
Začiatok priemyselnej výroby primárnych chemických zdrojov prúdu položil v roku 1865 Francúz J. L. Leclanche, ktorý navrhol mangánovo-zinkový článok so soľným elektrolytom. V roku 1880 vytvoril F. Lalande mangánovo-zinkový článok so zahusteným elektrolytom. Následne bol tento prvok výrazne vylepšený. Významné zlepšenie výkonu sa dosiahlo použitím elektrolytického oxidu manganičitého na katóde a chloridu zinočnatého v elektrolyte. Do roku 1940 bol mangánovo-zinkový soľný článok prakticky jediným primárnym chemickým zdrojom prúdu. Napriek neskoršiemu výskytu ďalších primárnych zdrojov prúdu s vyššími charakteristikami je mangánovo-zinkový soľný článok využívaný vo veľmi širokom meradle, a to najmä vďaka relatívne nízkej cene.
Jedným z najdôležitejších faktorov pri konštrukcii batérií (a akéhokoľvek zariadenia nimi poháňaného) je dosiahnutie maximálnej špecifickej kapacity pre článok danej (minimálnej) veľkosti a hmotnosti. Chemické reakcie prebiehajúce vo vnútri prvku určujú jeho kapacitu aj fyzikálne rozmery. V zásade celá história vývoja batérií spočíva v hľadaní nových chemických systémov a ich balení do čo najmenších obalov.
Dnes ich je veľa odlišné typy batérie, z ktorých niektoré boli vyvinuté už v 19. storočí, zatiaľ čo iné sotva oslávili desaťročie. Táto rozmanitosť sa vysvetľuje skutočnosťou, že každá technológia má svoje vlastné silné stránky. Povieme si o najbežnejších používaných v mobilných zariadeniach.
Suché batérie
Prvé komerčne vyrábané batérie boli suché. Dediči Leclancheovho vynálezu, sú najrozšírenejšími na svete. Len Energizer predá ročne viac ako 6 miliárd týchto batérií. Vo všeobecnosti „keď hovoríme o batérii, máme na mysli suché články“. A to aj napriek tomu, že majú zo všetkých „masových“ typov najnižšiu špecifickú kapacitu. Táto popularita sa vysvetľuje po prvé ich nízkou cenou a po druhé skutočnosťou, že týmto názvom sa nazývajú tri rôzne chemické systémy: zinkovo-chlórové, alkalické a mangánovo-zinkové batérie (články Leclanché). Ich mená dávajú predstavu o chemických systémoch, na ktorých sú vytvorené.
V suchých článkoch je uhlíková tyč kolektora katódového prúdu umiestnená pozdĺž osi. Samotná katóda je celý systém, ktorý zahŕňa oxid manganičitý, uhlík elektródy a elektrolyt. Zinkový „kalich“ slúži ako anóda a tvorí kovové telo prvku. Elektrolyt je zase zmesou, ktorá obsahuje amoniak, oxid manganičitý a chlorid zinočnatý.
Prvky mangán-zinok a chlorid zinočnatý sa v skutočnosti líšia svojim elektrolytom. Prvý obsahuje zmes amoniaku a chloridu zinočnatého, zriedenú vodou. V chloride zinočnatom je elektrolyt takmer 100% chlorid zinočnatý. Rozdiel v ich menovitom napätí je minimálny: 1,55V a 1,6V.
Napriek tomu, že prvky chloridu zinočnatého majú vyššiu kapacitu v porovnaní s prvkami Leclanchet, táto výhoda pri nízkom zaťažení zaniká. Preto sú často označované ako „heavy-duty“, teda prvky so zvýšeným výkonom. Nech je to akokoľvek, účinnosť všetkých suchých článkov výrazne klesá so zvyšujúcim sa zaťažením. Preto by sa nemali inštalovať do moderných kamier, jednoducho na to nie sú určené.
Bez ohľadu na to, koľko ružových zajačikov pobehuje v reklame, alkalické batérie sú stále tie isté uhoľno-zinkové minerály pôvodne z 19. storočia. Jediným rozdielom je špeciálne vybraná zmes elektrolytov, ktorá umožňuje zvýšiť kapacitu a životnosť takýchto batérií. Aké je to tajomstvo? Táto zmes je o niečo alkalickejšia ako ostatné dva typy.
Ak chemické zloženie pre alkalické batérie sa len málo líši od prvku Leclanche, potom sú rozdiely v dizajne významné. Dalo by sa povedať, že alkalická batéria je suchý článok obrátený naruby. Ich vonkajší obal nie je anóda, je to jednoducho ochranný obal. Anóda je tu rôsolovitá zmes zinkového prášku zmiešaná s elektrolytom (čo je zase vodný roztok hydroxid draselný). Katóda, zmes uhlíka a oxidu manganičitého, obklopuje anódu a elektrolyt. Je oddelená vrstvou netkaného materiálu, ako je polyester.
V závislosti od aplikácie môžu alkalické batérie vydržať 4-5 krát dlhšie ako bežné uhlíkovo-zinkové batérie. Tento rozdiel je badateľný najmä pri tomto režime používania, kedy sa krátke obdobia vysokej záťaže striedajú s dlhými obdobiami nečinnosti.
Je dôležité si uvedomiť, že alkalické batérie nie sú dobíjateľné, pretože chémia, na ktorej sú založené, nie je reverzibilná. Ak ho dáte do nabíjačky, nebude sa správať ako batéria, ale skôr ako odpor – začne sa zahrievať. Ak sa odtiaľ neodstráni včas, bude dostatočne horúci na to, aby explodoval.
Názov nám hovorí, že tento typ batérie má niklovú anódu a kadmiovú katódu. Nikel-kadmiové batérie (označované ako Ni-Cad) sa tešia zaslúženej obľube medzi spotrebiteľmi na celom svete. Je to v neposlednom rade aj vďaka tomu, že dokážu vydržať veľké množstvo cyklov nabitia a vybitia – 500 a dokonca 1 000 – bez výrazného zhoršenia výkonu. Navyše sú relatívne ľahké a energeticky náročné (hoci ich špecifická kapacita je približne polovičná v porovnaní s alkalickými batériami). Na druhej strane obsahujú jedovaté kadmium, takže pri ich likvidácii si s nimi treba dávať väčší pozor ako pri používaní, tak aj po ňom.
Výstupné napätie väčšiny batérií pri vybíjaní klesá, pretože chemické reakcie zvyšujú ich vnútorný odpor. Nikel-kadmiové batérie sa vyznačujú veľmi nízkym vnútorným odporom, a preto dokážu dodať na výstup pomerne silný prúd, ktorý sa navyše pri vybíjaní prakticky nemení. V súlade s tým zostáva výstupné napätie tiež prakticky nezmenené, kým nie je náboj takmer úplne vyčerpaný. Potom výstupné napätie prudko klesne takmer na nulu.
Konštantná úroveň výstupného napätia je konštrukčnou výhodou elektrické schémy, ale to tiež takmer znemožňuje určenie aktuálnej úrovne nabitia. Kvôli tejto funkcii sa zostávajúca energia vypočítava na základe prevádzkového času a známej kapacity konkrétneho typu batérie, a teda ide o približnú hodnotu.
Oveľa závažnejšou nevýhodou je „pamäťový efekt“. Ak takáto batéria nie je úplne vybitá a potom sa nechá nabíjať, jej kapacita sa môže znížiť. Faktom je, že pri takomto „nesprávnom“ nabíjaní sa na anóde tvoria kryštály kadmia. Hrajú úlohu chemickej „pamäte“ batérie, pričom si pamätajú túto strednú úroveň. Keď nabitie batérie pri ďalšom vybití klesne na túto úroveň, výstupné napätie sa zníži, ako keby bola batéria úplne vybitá. Na anóde sa budú naďalej tvoriť začarované kryštály, čím sa zvýši vplyv tohto nepríjemného efektu. Aby ste sa ho zbavili, musíte po dosiahnutí tejto strednej úrovne pokračovať vo vybíjaní. Toto je jediný spôsob, ako „vymazať“ pamäť a obnoviť plnú kapacitu batérie.
Táto technika sa zvyčajne nazýva hlboký výboj. Ale hlboký neznamená úplný, „na nulu“. To len poškodí a skráti životnosť prvku. Ak počas používania klesne výstupné napätie pod 1 Volt (pri nominálnom napätí 1,2 V), môže to viesť k poškodeniu batérie. Komplexná technológia, ako sú PDA alebo notebooky, sú nakonfigurované tak, aby sa vypli skôr, ako nabitie batérie klesne pod limit. Na hlboké vybitie batérií musíte použiť špeciálne zariadenia, ktoré vyrábajú mnohé známe spoločnosti.
Niektoré výrobné spoločnosti tvrdia, že nové nikel-kadmiové batérie nie sú ovplyvnené pamäťovým efektom. To sa však v praxi nepreukázalo.
Bez ohľadu na to, čo výrobcovia sľubujú, na dosiahnutie maximálneho výkonu by sa batérie mali zakaždým úplne nabiť a potom počkať na normálne vybitie, aby sa nezhoršili a vydržali celú dobu.
Na čiastočné odstránenie nedostatkov nikel-kadmiových batérií boli povolané nikel-metal hydridové (Ni-MH) batérie, ktoré neobsahovali „nebezpečné“ kadmium. Rovnako ako nikel-kadmiové batérie, aj nikel-metalhydridové batérie mali niklovú anódu, ale katódy boli vyrobené z hydridov, ktoré sú v skutočnosti zliatiny kovov, schopné udržať atómový vodík. Nikel-metal hydridové batérie majú oveľa slabší pamäťový efekt a majú lepší pomer kapacity k celkovým rozmerom. Nikel-metal hydridové batérie však vydržia menej cyklov nabíjania a vybíjania a sú drahšie ako nikel-kadmiové batérie. Problémom nikel-metal hydridových batérií bolo aj veľké množstvo samovybíjania - za deň bez zaťaženia dokázali batérie tohto typu stratiť až 5 % svojej kapacity.
Väčšina batérií na svete sú olovené batérie. Používajú sa najmä na štartovanie motorov automobilov. Planteho vývoj sa stal prototypom týchto prvkov. Majú tiež anódy vyrobené z bunkového olova a katódy vyrobené z oxidu olovnatého. Obe elektródy sú ponorené do elektrolytu – kyseliny sírovej.
Kvôli olovu sú tieto batérie veľmi ťažké. A keďže sú naplnené vysoko korozívnou kyselinou (ktorá zaťažuje aj batérie), stávajú sa aj nebezpečnými a vyžadujú si osobitnú pozornosť. Kyselina a výpary môžu poškodiť blízke predmety (najmä kovové). A ak to s nabíjaním preženiete, môže začať elektrolýza vody v kyseline. Vzniká tak vodík, výbušný plyn, ktorý keď určité podmienky môže explodovať (ako v prípade výbuchov Hindenburg).
Rozklad vody v batérii môže viesť k ďalšiemu efektu: koniec koncov, celkové množstvo vody v batérii klesá. Súčasne sa zmenšuje reakčná plocha vo vnútri batérie a tým sa znižuje aj kapacita batérie. Okrem toho zníženie množstva tekutiny umožňuje vybitie batérie v dôsledku vystavenia atmosfére. Elektródy sa môžu odlepiť a dokonca aj skratovať batériu.
Prvé olovené batérie si vyžadovali pravidelnú údržbu – bolo potrebné udržiavať požadovanú hladinu vody/kyseliny vo vnútri každého článku. Pretože iba voda v batérii podlieha elektrolýze, je potrebné vymeniť iba vodu. Aby sa predišlo kontaminácii batérie, výrobcovia odporúčajú na údržbu používať iba destilovanú vodu. Zvyčajne je batéria doplnená na normálnu úroveň. Ak na batérii nie je žiadna značka, je potrebné ju doplniť tak, aby kvapalina pokryla elektródové platne vo vnútri.
V stacionárnych zariadeniach je kryt batérie vyrobený zo skla. Kyselinu nielen dobre drží, ale aj umožňuje servisný personál určiť stav prvkov bez väčších ťažkostí. Automobilová technika vyžaduje odolnejšie kryty. Inžinieri na tieto účely použili ebonit alebo plast.
Akonáhle boli články zapečatené, jednoduchosť použitia týchto olovených batérií sa stala neoceniteľnou. V dôsledku toho sa objavili takzvané bezúdržbové batérie. Keďže para zostáva vo vnútri článkov, straty z elektrolýzy sú minimalizované. Preto takéto batérie nevyžadujú dopĺňanie vodou (aspoň by nemali).
To však neznamená, že takéto batérie vôbec nemajú problémy s údržbou. Napriek tomu vnútri strieka kyselina. A táto kyselina môže unikať cez ventily batérie. Mohlo by to poškodiť priehradky na batérie alebo dokonca zariadenie, v ktorom je nainštalovaná. Inžinieri sa tejto situácii vyhýbajú dvoma spôsobmi. Kyselinu je možné vložiť do plastového separátora medzi elektródami článku (zvyčajne vyrobeného z mikroporézneho polyolefínu alebo polyetylénu). Alebo môžete zmiešať elektrolyt s inou látkou, aby ste vytvorili gél – napríklad koloidnú hmotu ako želatínu. V dôsledku toho nedochádza k úniku.
Okrem nebezpečnej náplne majú olovené batérie aj ďalšie nevýhody. Ako je uvedené vyššie, sú veľmi ťažké. Množstvo energie obsiahnutej na jednotku hmotnosti takýchto batérií je menšie ako v batériách takmer akejkoľvek inej technológie. To je jediná vec, s ktorou nie sú spokojní tvorcovia automobilov, ktorí by tieto lacné olovené batérie v elektromobiloch s radosťou používali.
Na druhej strane, hoci sú tieto batérie lacné, majú 150-ročnú históriu. Táto technológia umožňuje upgradovať batérie pre špecifické potreby, ako sú aplikácie s dlhými cyklami vybíjania (kde sa batérie používajú ako jediný zdroj energie) alebo aplikácie neprerušiteľného napájania, ako sú veľké dátové centrá. Olovené batérie majú tiež nízky vnútorný odpor, a preto môžu produkovať veľmi vysoké prúdy. Na rozdiel od exotickejších prvkov, napríklad nikel-kadmium, nepodliehajú pamäťovému efektu. (Tento efekt pri aplikácii na nikel-kadmiové články znižuje kapacitu batérie, ak ju dobíjate ešte pred úplným vybitím.) Takéto batérie majú navyše dlhú životnosť a sú predvídateľné. A samozrejme sú lacné.
Väčšina týchto zdrojov používa olovené batérie s rôsolovitým elektrolytom. Takéto zariadenia sú zvyčajne nenáročné na údržbu. To znamená, že nemyslíte na ich údržbu. Zdroje sú však dosť objemné kvôli batériám vo vnútri. Po úplnom nabití sa články s rôsolovitým elektrolytom vplyvom neustáleho nízkoprúdového nabíjania postupne zhoršujú. (Väčšina olovených batérií sa udržiava plne nabitá.) Preto takéto prvky vyžadujú špeciálne nabíjačky, ktoré by sa automaticky vypli, akonáhle je prvok plne nabitý. Nabíjačka sa musí znova zapnúť, akonáhle sa batéria vybije na vopred stanovenú úroveň (či už pri záťaži alebo samovybíjaní). Zdroje neprerušiteľného napájania zvyčajne pravidelne kontrolujú nabitie batérie.
Zabránenie elektrolýze
Rovnako ako olovené batérie, aj nikel-kadmiové batérie môžu prejsť elektrolýzou – rozkladom vody v elektrolyte na potenciálne výbušný vodík a kyslík. Výrobcovia batérií prijímajú rôzne opatrenia, aby tomuto efektu zabránili. Prvky sú zvyčajne utesnené, aby sa zabránilo úniku. Okrem toho sú batérie navrhnuté tak, aby najprv produkovali kyslík a nie vodík, čo zabraňuje elektrolýze.
Aby utesnené batérie nevybuchli a nehromadil sa v nich plyn, sú batérie zvyčajne vybavené ventilmi. Ak sú tieto vetracie otvory zablokované, hrozí nebezpečenstvo výbuchu. Zvyčajne sú tieto otvory také malé, že si ich nikto nevšimne. Pracujú automaticky. Toto varovanie (neblokovať vetracie otvory) platí predovšetkým pre výrobcov zariadení. Štandardné priehradky na batérie vyžadujú vetranie, ale ak batériu naplníte epoxidovou živicou, nebude tam žiadne vetranie.
Lítium je najreaktívnejší kov a používa sa presne v najkompaktnejších systémoch, ktoré dodávajú energiu najmodernejším mobilným zariadeniam. Lítiové katódy sa používajú takmer vo všetkých vysokokapacitných batériách. Ale vďaka aktivite tohto kovu sú batérie nielen veľmi priestranné, ale majú aj najvyššie Menovité napätie. V závislosti od anódy majú články s lítiom výstupné napätie od 1,5 V do 3,6 V!
Hlavným problémom pri používaní lítia je opäť jeho vysoká aktivita. Môže dokonca vzplanúť – čo pri batériách nie je práve najpríjemnejšia vlastnosť. Kvôli týmto problémom sa prvky na báze kovu lítia, ktoré sa začali objavovať už v 70. a 80. rokoch 20. storočia, preslávili svojou nízkou spoľahlivosťou.
Na prekonanie týchto ťažkostí sa výrobcovia batérií pokúsili použiť lítium vo forme iónov. Týmto spôsobom boli schopní získať všetky užitočné elektrochemické vlastnosti bez toho, aby museli riešiť vrtošivú kovovú formu.
V lítium-iónových článkoch sú lítiové ióny navzájom spojené molekulami iných materiálov. Typická Li-Ion batéria má uhlíkovú anódu a katódu z oxidu lítneho a kobaltnatého. Elektrolyt je založený na roztoku lítiových solí.
Lítiové batérie majú vyššiu hustotu ako nikel-metal hydridové batérie. Napríklad v notebookoch môžu takéto batérie vydržať jeden a pol krát dlhšie ako nikel-metal hydridové batérie. Navyše, lítium-iónové články sú bez pamäťových efektov, ktoré trápili skoré nikel-kadmiové batérie.
Na druhej strane, vnútorný odpor moderných lítiových článkov je vyšší ako u nikel-kadmiových článkov. V súlade s tým nemôžu poskytnúť také silné prúdy. Zatiaľ čo nikel-kadmiové prvky sú schopné roztaviť mincu, lítiové prvky toho schopné nie sú. Napriek tomu je výkon takýchto batérií dostatočný na prevádzku prenosného počítača, ak to nie je spojené s prerušovaným zaťažením (to znamená, že niektoré zariadenia, napríklad pevný disk alebo CD-ROM, by nemali spôsobovať vysoké prepätia pri extrémne podmienky – napríklad pri počiatočnom roztočení alebo prebudení z režimu spánku). Navyše, aj keď lítium-iónové batérie vydržia stovky nabíjaní, vydržia menej ako tie, ktoré používajú nikel.
Keďže lítium-iónové články využívajú tekutý elektrolyt (aj keď sú oddelené vrstvou tkaniva), majú takmer vždy valcový tvar. Hoci tento tvar nie je o nič horší ako tvary iných článkov, s príchodom polymerizovaných elektrolytov sa lítium-iónové batérie stávajú kompaktnejšími.
Najpokročilejšia technológia batérií, ktorá sa dnes používa, je lítium-polymérová. Medzi výrobcami batérií aj počítačových zariadení už existuje trend k postupnému prechodu na tento typ prvku. Hlavnou výhodou lítium-polymérových batérií je absencia tekutého elektrolytu. Nie, to neznamená, že vedci našli spôsob, ako sa úplne zaobísť bez elektrolytu. Anóda je oddelená od katódy polymérovou bariérou, kompozitným materiálom ako je polyakrylonitrit, ktorý obsahuje lítiovú soľ.
Vďaka absencii tekutých zložiek môžu lítiové polymérové články nadobudnúť takmer akýkoľvek tvar, na rozdiel od iných typov valcových batérií. Bežnými formami balenia sú ploché dosky alebo tyčinky. V tejto podobe lepšie vypĺňajú priestor priehradky na batérie. Výsledkom je, že pri rovnakej špecifickej hmotnosti môžu optimálne tvarované lítium-polymérové batérie uložiť o 22 % viac energie ako porovnateľné lítium-iónové batérie. To sa dosiahne vyplnením „mŕtvych“ objemov v rohoch priehradky, ktoré by pri použití valcovej batérie zostali nevyužité.
Okrem týchto zrejmých výhod sú lítiové polymérové články šetrné k životnému prostrediu a ľahšie vďaka absencii vonkajšieho kovového krytu.
Lítium-železité disulfidové batérie
Na rozdiel od iných batérií obsahujúcich lítium, ktoré majú výstupné napätie vyššie ako 3V, majú lítium-železité disulfidové batérie polovičné výstupné napätie. Navyše sa nedajú dobíjať. Táto technológia predstavuje kompromis, ktorý vývojári urobili, aby zabezpečili kompatibilitu lítiových napájacích zdrojov so zariadeniami určenými na používanie alkalických batérií.
Špeciálne bolo zmenené chemické zloženie batérií. V nich je lítiová anóda oddelená od katódy disulfidu železa vrstvou elektrolytu. Tento sendvič je zabalený v uzavretom obale s mikroventilmi na ventiláciu, rovnako ako nikel-kadmiové batérie.
Tento typ článku bol navrhnutý ako konkurent alkalických batérií. Oproti nim lítium-železitý disulfid váži o tretinu menej, má väčšiu kapacitu a navyše sa dlhšie skladuje. Aj po desiatich rokoch skladovania si zachovajú takmer všetok svoj náboj.
Prevaha nad konkurentmi je evidentná najlepšia cesta pri veľkom zaťažení. Pri vysokom zaťažovacom prúde môžu články lítium-železitého disulfidu vydržať až 2,5-krát dlhšie ako alkalické batérie rovnakej veľkosti. Ak výstup nevyžaduje vysoký prúd, potom je tento rozdiel oveľa menej viditeľný. Napríklad jeden výrobca batérií uviedol nasledujúce charakteristiky pre dva typy svojich batérií veľkosti AA: pri zaťažení 20 mA vydrží alkalická batéria 122 hodín oproti 135 hodinám v prípade lítium-železitej disulfidovej batérie. Ak sa zaťaženie zvýši na 1A, prevádzkový čas bude 0,8 a 2,1 hodiny. Ako sa hovorí, výsledok je zrejmý.
Nemá zmysel inštalovať také výkonné batérie do zariadení, ktoré spotrebúvajú relatívne málo energie počas dlhého časového obdobia. Boli špeciálne vytvorené pre použitie vo fotoaparátoch, výkonných baterkách a do budíka či rádia je lepšie použiť alkalické batérie.
Technológie nabíjania
Moderné zariadenia na dobíjanie - ide o pomerne zložité elektronické zariadenia s rôznym stupňom ochrany - pre vás aj pre vaše batérie. Vo väčšine prípadov má každý typ článku vlastnú nabíjačku. Nesprávnym používaním nabíjačky môžete poškodiť nielen batérie, ale aj samotné zariadenie, či dokonca systémy napájané batériami.
Existujú dva režimy prevádzky nabíjačiek - s konštantné napätie a s jednosmerným prúdom.
Najjednoduchšie sú zariadenia s konštantným napätím. Vždy produkujú rovnaké napätie a dodávajú prúd, ktorý závisí od úrovne nabitia batérie (a iných faktorov prostredia). Keď sa batéria nabíja, jej napätie sa zvyšuje, takže rozdiel medzi potenciálom nabíjačky a batérie sa zmenšuje. Výsledkom je, že obvodom preteká menej prúdu.
Pre takéto zariadenie je potrebný iba transformátor (na zníženie nabíjacieho napätia na úroveň požadovanú batériou) a usmerňovač (na usmernenie striedavý prúd konštantná, používa sa na nabíjanie batérie). Takéto jednoduché nabíjacie zariadenia sa používajú na nabíjanie automobilových a lodných batérií.
Olovené batérie pre zdroje neprerušiteľného napájania sa spravidla nabíjajú podobnými zariadeniami. Okrem toho sa na dobíjanie lítium-iónových článkov používajú aj zariadenia s konštantným napätím. Len tam boli pridané obvody na ochranu batérií a ich majiteľov.
Druhý typ nabíjačky poskytuje konštantný prúd a mení napätie tak, aby poskytovalo požadované množstvo prúdu. Keď napätie dosiahne plné nabitie, nabíjanie sa zastaví. (Pamätajte, že napätie produkované článkom klesá, keď sa vybíja). Typicky takéto zariadenia nabíjajú nikel-kadmiové a nikel-metalhydridové články.
Okrem požadovanú úroveň napätie, musí vedieť, ako dlho trvá dobitie prvku. Batéria sa môže poškodiť, ak ju nabíjate príliš dlho. V závislosti od typu batérie a „inteligencie“ nabíjačky sa na určenie doby nabíjania používa niekoľko technológií.
V najjednoduchších prípadoch sa na to používa napätie generované batériou. Nabíjačka monitoruje napätie batérie a vypne sa, keď napätie batérie dosiahne prahovú úroveň. Ale táto technológia nie je vhodná pre všetky prvky. Napríklad pre nikel-kadmium to nie je prijateľné. V týchto prvkoch je krivka vybíjania blízka priamke a môže byť veľmi ťažké určiť prahovú úroveň napätia.
„Sofistikovanejšie“ nabíjačky určujú čas nabíjania na základe teploty. To znamená, že zariadenie monitoruje teplotu článku a vypne alebo zníži nabíjací prúd, keď sa batéria začne zahrievať (čo znamená, že je prebitá). Teplomery sú zvyčajne zabudované do takýchto batérií, ktoré monitorujú teplotu prvku a prenášajú zodpovedajúci signál do nabíjačky.
Inteligentné zariadenia využívajú obe tieto metódy. Môžu prejsť z vysokého nabíjacieho prúdu na malý alebo môžu podporovať D.C. pomocou špeciálnych snímačov napätia a teploty.
Štandardné nabíjačky poskytujú nabíjací prúd, ktorý je nižší ako vybíjací prúd článku. A nabíjačky s vyššou hodnotou prúdu poskytujú väčší prúd, ako je menovitý vybíjací prúd batérie. Zariadenia na nepretržité nabíjanie nízkym prúdom používajú taký malý prúd, že len bráni samovybíjaniu batérie (podľa definície sa takéto zariadenia používajú na kompenzáciu samovybíjania). Typicky je nabíjací prúd v takýchto zariadeniach jedna dvadsatina alebo jedna tridsiata menovitý prúd vybitie batérie. Moderné nabíjacie zariadenia môžu často pracovať s niekoľkými nabíjacími prúdmi. Najprv používajú vyššie prúdy a postupne prechádzajú na nižšie, keď sa blížia k plnému nabitiu. Ak používate batériu, ktorá znesie nízkoprúdové nabíjanie (nie napríklad nikel-kadmiové batérie), po skončení nabíjacieho cyklu sa zariadenie prepne do tohto režimu. Väčšina nabíjačiek pre notebooky a mobilné telefóny navrhnuté tak, aby mohli byť trvalo spojené s prvkami bez toho, aby došlo k ich poškodeniu.
Ako ste už určite uhádli, povieme si o takej maličkosti, akých je v našom bežnom živote veľa, o batérii. IN modernom svete, batérie nás obklopujú všade, či už je to elektronická kniha alebo hodinky, televízny ovládač alebo batéria v mobilnom telefóne, na ich existenciu a prítomnosť sme si už veľmi zvykli, že ich existenciu prakticky nevnímame, čo v r. tomu napomáha fakt, že majú rôzne veľkosti.
Batéria sa pre nás stala samozrejmosťou!
A kedysi dávno, na úsvite svojho vzhľadu, to bolo pomerne veľké zariadenie a bolo jediným zdrojom elektrická energia na planéte dostupnej ľudstvu.
Za zakladateľa batérie sa právom považuje taliansky fyzik Alessandro Volta (1745 - 1827), ktorý po preštudovaní početných diel svojho krajana Luigiho Galvaniho (1737 - 1798), ktorý robil experimenty so „živočíšnou elektrinou“, dospel k tomuto pozoruhodnému objav.
Po prečítaní Galvaniho pojednania „o elektrických silách vo svale“ si Alessandro Volta všimol, že elektrina sa objavuje výlučne v prítomnosti dvoch kovov. Okamžite preto uskutočnil svoj prvý experiment, ktorý spočíval v tom, že si dal do úst dve mince, jednu na jazyk a druhú pod, pričom ich spojil drôtom a pocítil slanú chuť.
Táto skúsenosť ho podnietila k reflexii, ktorej výsledkom bolo pokračovanie výskumu, ktorý takto začal, len vo väčšom rozsahu.
Jedným z týchto experimentov bola inštalácia viac ako sto kovových kruhov na seba, oddelených papierom a navlhčených slanou vodou. Výsledok nenechal na seba dlho čakať, Alessandro opäť po kontrole vnemov vo svojom vlastnom jazyku bol presvedčený o prítomnosti elektriny vo svojom zariadení, pričom si všimol, že je neustále prítomná.
Po niekoľkých takýchto experimentoch vyrobil Alessandro Volta batériu. Pozostával z medených a zinkových platní spojených do série, spúšťaných po pároch do nádob so zriedenou kyselinou.
Je pravda, že toto zariadenie nedostalo okamžite názov, na ktorý sme teraz tak zvyknutí - batéria. Spočiatku sa toto zariadenie nazývalo „koruna krvných ciev“ a v tom čase to bol najväčší zdroj elektrickej energie.
Ak by sme to preniesli do moderných štandardov, ako je to teraz zvykom, „koruna plavidiel“ by v našej dobe stačila len na napájanie obyčajného rádiového prijímača.
Následne Alessandro Volta premenoval svoj vynález na počesť Luigiho Galvaniho a nazval ho galvanickým článkom.
Tento názov, mimochodom, prežil dodnes, aj keď samotné zariadenie prešlo výraznými zmenami v dizajne.
Prehistória batérie sa začína vo vzdialenom 17. storočí a jej starým otcom bol taliansky lekár, anatóm, fyziológ a fyzik - Luigi Galvani. Tento dôstojný muž je jedným zo zakladateľov doktríny elektriny a nepochybným priekopníkom v štúdiu elektrofyziológie.
Galvani objavil takzvanú „živočíšnu elektrinu“ počas jedného zo svojich experimentov. Na svaly žabieho stehna pripevnil dva kovové pásiky a zistil, že keď sa sval stiahne, vytvorí sa elektrický výboj. Galvaniho pokus vysvetliť tento jav však nebol úplne úspešný: teoretický základ, ktoré zhrnul, sa ukázalo ako nesprávne, ale to sa ukázalo až oveľa neskôr. Experimentálne výsledky, ktoré Galvani získal o poldruha storočia neskôr, zaujali jeho krajana a kolegu. Bol to Alessandro Volta.
Ešte v mladosti, keď sa začal zaujímať o štúdium elektrických javov a zoznámil sa s prácami B. Franklina, Volta nainštaloval prvý bleskozvod v meste Como. Okrem toho poslal parížskemu akademikovi J.A. Nollet napísal svoju esej, v ktorej diskutoval o rôznych elektrických javoch. V dôsledku toho sa Volta začal zaujímať o Galvaniho prácu. 
Po dôkladnom preštudovaní výsledkov experimentov so žabou si Alessandro Volta všimol jeden detail, ktorému sám Galvani nevenoval pozornosť: ak boli k žabe pripojené drôty vyrobené z odlišných kovov, svalové kontrakcie sa zosilnili.
Volta, ktorý nebol spokojný s vysvetleniami, ktoré navrhol jeho predchodca, urobil mimoriadne odvážny a neočakávaný predpoklad: rozhodol sa, že dva kovy oddelené telom obsahujúcim veľa vody, dobrý vodič. elektriny(medzi takéto telá možno bezpochyby zaradiť aj žabu), zrodia svoju vlastnú elektrickú silu. Aby to nebolo neopodstatnené, fyzik vykonal sériu dodatočných experimentov, ktoré potvrdili jeho predpoklad.
V roku 1800, 20. marca, napísal Alessandro Volta prezidentovi Kráľovskej spoločnosti v Londýne Sirovi Josephovi Banksovi o svojom vynáleze – novom zdroji elektriny, nazvanom Voltaický stĺp. Samotný vynálezca úplne nerozumel celému operačnému mechanizmu svojho duchovného dieťaťa a dokonca vážne veril, že vytvoril úplne fungujúci model perpetum mobile.
Mimochodom, Alessandro Volta ukázal celej vedeckej komunite úžasný príklad výskumnej skromnosti: navrhol nazvať svoj vynález „galvanickým článkom“ na počesť Luigiho Galvaniho, ktorého experimenty mu tento nápad priniesli.
Anatómia batérie
Ako vyzerali prvé „batérie“? V skutočnosti A. Volta veľmi, veľmi podrobne opísal štruktúru svojho vynálezu vo svojom liste Sirovi Josephovi Banksovi. Jeho prvý experiment vyzeral takto: Volta ponoril medené a zinkové platne do nádoby s kyselinou a potom ich spojil drôtom. Potom sa zinková platňa začala rozpúšťať a na medenej oceli sa objavili bubliny plynu. "Voltov stĺp"- dalo by sa povedať, že je to stoh vzájomne prepojených plátov zinku, medi a látky, namočených v kyseline a naskladaných na seba v určitom poradí.
V moderných „perových“ a iných batériách je „plnenie“ o niečo komplikovanejšie. Telo batérie obsahuje chemické reagencie, ktorých interakciou sa uvoľňuje energia, ako aj dve elektródy – anóda a katóda. Tieto činidlá sú oddelené špeciálnym tesnením, ktoré neumožňuje premiešanie pevných častí činidiel, ale zároveň umožňuje, aby k nim mohol prechádzať tekutý elektrolyt.
Kvapalný elektrolyt reaguje s pevným reaktantom, čo vedie k náboju. Na anódovom reaktante je negatívny a na katódovom reaktante je pozitívny. Aby sa zabránilo neutralizácii náboja, pevné časti činidla sú oddelené membránou.
Aby bolo možné „odstrániť“ výsledný náboj a preniesť ho na kontakty, do anódového činidla sa vloží zberač prúdu, ktorý vyzerá veľmi jednoducho - tenký, nie príliš dlhý kolík. Batéria má aj zberač katódového prúdu, ktorý je umiestnený pod plášťom batérie. Samotný plášť sa nazýva vonkajší rukáv.
Oba kolektory prúdu sú v kontakte s anódou a katódou vo vnútri batérie. Výsledná prevádzková schéma batérie je nasledovná: chemická reakcia, oddelenie nábojov na činidlách, prenos nábojov do zberačov prúdu, potom do elektród a do napájaného zariadenia.
Aké typy batérií existujú?
Existujú tri klasifikácie batérií. Prvý je založený na štandardnej veľkosti galvanického článku. V každodennom živote najčastejšie používame „prstové“ alebo „ružové“ batérie, no okrem nich existujú aj stredné a veľké valcové batérie, ako aj dva typy batérií, ktorých tvar je rovnobežnosten: „korunka “ a jednoducho štvorcový. Toto je zoznam najbežnejších odrôd formy. 
Autonómne napájacie zdroje sa líšia aj typom elektrolytu. Najlacnejšie batérie sú spravidla „soľ“ - uhlík-zinok, tento elektrolyt je suchý. Ďalšou možnosťou pre suchý elektrolyt je chlorid zinočnatý. Takéto batérie sú tiež pomerne lacné a široko dostupné.
Ďalšia možnosť elektrolytu je alkalická. Tieto batérie hovoria Alkalický a vo vnútri je alkalicko-mangánový, mangánovo-zinkový elektrolyt. Ich hlavnou nevýhodou je vysoký obsah ortuti.
Batérie s ortuťovým elektrolytom sa dnes prakticky nevyrábajú. Strieborný elektrolyt vykazuje dobré výkonové vlastnosti, ale výroba takýchto batérií stojí veľa peňazí.
Zinkový vzdušný elektrolyt je pre ľudí najbezpečnejší a životné prostredie. Sú lacné a vydržia dlho. Ale hrúbka batérie je 1,5-krát väčšia ako pri bežnej alkalickej/striebornej. Okrem toho, aby sa zabránilo samovybíjaniu počas skladovania, musí byť batéria utesnená. Lítiové batérie sú pomerne drahé, ale ich výkonové charakteristiky výrazne prevyšujú ostatné batérie.
Ďalším spôsobom, ako rozdeliť batérie do skupín, je určiť typ chemickej reakcie, ktorá v nich prebieha. Primárna reakcia prebieha v galvanických článkoch – v tých najbežnejších batériách. Na rozdiel od nich nie sú dobíjacie batérie, pri ktorej dochádza k sekundárnej chemickej reakcii.
Pravidlá používania a likvidácie
Neodporúča sa používať batérie pri extrémnych teplotách – veľmi studených alebo horúcich. To môže viesť k veľmi nepríjemným následkom. Ak ste museli batérie používať v mraze, napríklad v zime vonku, odporúča sa ich nechať aspoň pol hodiny pri izbovej teplote.
Stáva sa, že batérie, najmä alkalické, vytečú. Stáva sa to vtedy, keď je porušené tesnenie puzdra batérie. V žiadnom prípade tieto batérie nepoužívajte - môže dôjsť k poškodeniu elektrických spotrebičov.
Čo sa týka likvidácie použitých batérií alebo akumulátorov, mali by to riešiť špeciálne organizácie alebo podniky. IN Hlavné mestá Môžete nájsť špeciálne organizované zberné miesta, kde môžete odovzdať použité batérie na ich ďalšiu recykláciu. Je pravda, že nie každé mesto má takéto prijímacie miesto. Otázka, čo robiť v tomto prípade, zostáva otvorená.
- A. Volta. "Na elektrinu vzrušenú jednoduchým kontaktom rôznych vodivých látok."
- Radovský M.I. "Galvani a Volta".
- Spassky B.I. "História fyziky".
- Bezplatná elektronická encyklopédia Wikipedia, sekcia "Chemický prúdový zdroj".
- Bezplatná elektronická encyklopédia Wikipedia, sekcia "Štandardné veľkosti galvanických článkov".
