Baterije in akumulatorji – srce elektronske mobilnosti

8.9.2023

Baterije in akumulatorji so naprave, ki pretvorijo kemično energijo neposredno v električno energijo in so že dlje časa ključna komponenta prenosnih elektronskih naprav, brez katerih bi si le težko predstavljali sodobno družbo. V zadnjih letih je razvoj elektronike usmerjen v prenosne in od električnega omrežja neodvisne naprav. Poleg zabavne elektronike in modernih telekomunikacijskih naprav s katerimi se vsak dan srečuje večina prebivalstva, imamo tu v mislih tudi medicinske naprave kot so srčni spodbujevalniki ter inzulinske črpalke, ter raznovrstne merilne naprave, ki zaradi namestitve v težko dostopnih okoljih potrebujejo neodvisen vir napajanja. V zadnjih letih so baterije in akumulatorji vse pogostejši dejavnik tudi v avtomobilski industriji, kjer njihov hitri razvoj omogoča okoljsko bolj prijazne rešitve na področju transporta.

Kaj so baterije in akumulatorji?

Kot smo omenili že v uvodu, so baterije in akumulatorji naprave, ki pretvarjajo kemično energijo v električno energijo s pomočjo kemičnih reakcij. Baterije in akumulatorji tako hranijo in med delovanjem proizvajajo električno napetost in tok, ki služita za napajanje različnih elektronskih naprav, kot so mobilni telefoni, prenosni računalniki, električna vozila itd.

Baterije na splošno ločimo v dve skupini - primarne baterije oz. baterije za enkratno uporabo ter sekundarne oz. akumulatorji. Baterijam za enkratno uporabo se skozi uporabo znižujeta napetost in kapaciteta do točke, ko niso več uporabne in jih je potrebno varno zavreči, akumulatorje pa je zahvaljujoč njihovi zasnovi mogoče po delni ali popolni izpraznitvi ponovno napolniti z uporabo enosmerne napetosti.

Baterije so sestavljene iz elektrokemijskih celic, ki so vezane v galvanske člene. Teh je v posamezni bateriji običajno več in so, glede na želeno napetost in kapaciteto, vezani zaporedno ali vzporedno.

Galvanski člen je v osnovi sestoji iz treh komponent:

1. Anoda ali negativna elektroda (ponavadi kovina kot npr. litij, cink itd…)
2. Katoda ali pozitivna elektroda (kovinski oksidant, lahko npr. tudi zrak pri cink-zrak baterijah)
3. Elektrolit oz. ionski prevodnik, ki igra vlogo medija za prenos naboja med katodo in anodo.

Baterije in akumulatorji imajo omejeno življenjsko dobo, saj se sčasoma njihova kapaciteta zmanjšuje zaradi obrabe materialov in kemičnih sprememb znotraj baterije. Kot pri vseh elektronskih napravah je tudi z baterijami in akumulatorji potrebno ravnati v skladu z navodili. Pozorni moramo biti na vrsto baterij, ki jih določena naprava potrebuje, previdni smo pri vstavljanju v napravo in odstranjevanju iz naprave, ko je ne potrebujemo. Prav tako je ključno pravilno skrbeti za baterije in upoštevati priporočila proizvajalcev glede polnjenja, praznjenja in shranjevanja, da se podaljša njihova življenjska doba in zagotovi varna uporaba.

Kratka zgodovina baterij in akumulatorjev

Uporaba baterij, kot prenosnih virov električne energije, je bila dobro uveljavljena še pred vzpostavitvijo električnega omrežja. Zasluge za odkritje galvanskega člena, kot osnovne enote baterije, gredo italijanskemu izumitelju Alessandru Volti, ki je po večletnem eksperimentiranju leta 1800 predstavil prvo baterijo – t.i. Voltov stolp. V naslednjih letih so drugi izumitelji izpopolnjevali njegov izum.

Leta 1836 angleški kemik in fizik John F. Daniell izumi baterijsko celico, ki je uporabljala dva elektrolita: bakrov sulfat in cinkov sulfat. Danielova celica je bila precej bolj stabilna in dolgotrajnejša od Voltovega stolpa. Ta baterija, ki je proizvedla približno 1,1 volta, je bila uporabljena za pogon telegrafov, telefonov in hišnih zvoncev.

Leta 1859 je francoski fizik Gaston Planté izumil prvo baterijo, ki jo je bilo s priključitvijo na zunanji vir napetosti mogoče ponovno napolniti. V skoraj nespremenjeni obliki je tovrstni svinčev akumulator v uporabi še danes, predvsem v avto industriji.

Konec 19. stoletja švedski znanstvenik Waldemar Junger izumi nikelj-kadmijevo akumulatorsko baterijo, ki je v primerjavi s svinčevimi akumulatorji omogočala večjo energijsko gostoto. V istem času izumi tudi nikelj železovo baterijo, ki pa je zaradi pomanjkljivosti – puščanje, hitro samopraznjenje, slabo delovanje pri nizkih temperaturah – ne patentira. To izkoristi Thomas Alva Edison, ki je z novo in fizično lažjo akumulatorsko baterijo želel prodreti na trg električnih avtomobilov. Žal je dolgotrajno izpopolnjevanje tehnologije botrovalo k preboju zanesljivejših bencinskih motorjev v avto industriji, Edisonov patent pa je kljub temu dosegel uspeh na določenih drugih področjih (npr. železniška siganlizacija).

Konec osemdesetih let prejšnjega stoletja na tržišče prodrejo moderne nikelj-metal-hidridne akumulatorske baterije, ki v primerjavi z nikelj-kadmijevimi akumulatorji omogočajo večje število vnovičnih polnjenj ter so okolju in zdravju precej bolj prijazne.

Leta 1886 nemški fizik Carl Gassner izpopolni izum francoza Georgesa Leclanchéja in na podlagi cink-ogljikove tehnologije ustvari prvo stabilno suho baterijo, ki postane podlaga za alkalne baterije, ki so obvezne v vsakem gospodinjstvu še danes. Gassnerjev tip baterije preide v množično izdelavo ob koncu 19. stoletja s prvimi električnimi svetilkami. Lewis Urry leta 1949 izpopolni cink-ogljikovo baterijo in izdela alkalne baterije, ki so po zaslugi majhnih dimenzij in dolge življenjske dobe doživele velik komercialni uspeh, tako da jih še danes najdemo v vsakem gospodinjstvu.

V drugi polovici prejšnjega stoletja se je razvoj baterij in akumulatorjev usmeril v litijevo tehnologijo. Litij je kot izredno lahka kovina z visokim elektrokemičnim potencialom idealen za uporabo v industriji baterij in akumulatorjev. V 70 ih letih 20. stoletja so na tržišče prišle prve litijeve baterije – 3 voltne celice, ki so še danes v uporabi v obliki gumbnih baterij in posebnih baterij za male naprave. V 80-ih letih prejšnjega stoletja pride do preboja na področju akumulatorjev z izumom tehnologije litijev-ion, kateri je še danes posvečena precejšnja pozornost saj tovrstni akumulatorji napajajo raznovrstne vsakdanje prenosne naprave in tudi moderna električna vozila.

Najpogostejše vrste baterij in akumulatorjev

Kot smo že omenili, sta glede na funkcionalnost na trgu na voljo dve vrsti baterij – primarne in sekundarne, v nadaljevanju pa si bomo ogledali nekaj najpogostejših vrst baterij iz obeh skupin, s katerimi se uporabniki srečujemo v vsakdanjem življenju.

Baterije, ki so narejene samo za enkratno uporabo in jih ni mogoče ponovno napolniti, se imenujejo primarne baterije. Ta tip baterije se po uporabi zavrže. Znane so tudi kot baterije brez možnosti polnjenja. Primarne baterije so zelo preprost in priročen vir energije za prenosne naprave, kot so ure, fotoaparate, ročne svetilke itd. Te baterije so poceni, majhne, ​​lahke in ne zahtevajo vzdrževanja.

Vsak dan imamo opravka z naslednjimi primarnimi baterijami:

• alkalne baterije se uporabljajo v napravah, ki dlje časa potrebujejo oskrbo z nizko napetostjo. Ena sama celica lahko zagotovi 1,5 V, same baterije pa so izredno dostopne in cenovno ugodne, kar lahko zmanjša skupne stroške uporabe izdelka. Vsaka ura, ki visi na steni, ali daljinski upravljalnik, ki upravlja vaš TV in klimatsko napravo deluje na alkalne baterije. Pogosto alkalne baterije prepoznamo tudi po standardnih velikostih ohišij še vedno pa so med najbolje prodajanimi prenosnimi viri električne energije.

• gumbne baterije najdemo v malih napravah različnih velikosti, kot so ročne ure, žepni kalkulatorji, računalniške matične plošče itd. Gumbaste ali kovance je mogoče videti v urah v različnih velikostih. Gumbne baterije so lahko alkalne ali pa litijeve, v bolj občutljivih napravah kot so npr. slušni aparati pa so zaradi lastnosti bolj primerne gumbne baterije s cink-zrak tehnologijo

Baterije, ki so narejene za ponovno uporabo s ponovnim polnjenjem, se imenujejo sekundarne baterije, imenujejo se tudi polnilne baterije, poznamo pa jih tudi pod splošnim nazivom akumulatorji. Proizvedejo enako elektrokemično reakcijo kot alkalne baterije, obenem pa je to reakcijo mogoče tudi obrniti in so celice primerne za sprejem električne energije oz. polnjenje. Ta vrsta baterije se uporablja za prenosne naprave, kot so mobilni telefoni, prenosni računalniki, električna vozila itd.

Pogosto se srečamo z naslednjimi sekundarnimi baterijami:

• svinčevi akumulatorji so poceni in zanesljivi vir električne energije, vseeno pa so dimenzijsko  večji in težki, kar omeji njihovo aplikacijo. Pogosto se uporabljajo se v stacionarnih sistemih, kot so shranjevanje energije na sončnih panelih, napajanje zasilne razsvetljave, pomožno napajanje alarmnih sistemov ter izravnava obremenitve pri proizvodnji in distribuciji električne energije. Vsakodnevno se s svinčevim akumulatorjem srečamo med vožnjo z avtomobilom, kjer igra pomembno vlogo pri vžigu vozila in napajanju avtomobilske elektronike.
• Nikelj-metal-hidridne akumulatorske baterije prepoznamo tudi po oznaki (NiMH ali Ni-MH).  Energijska gostota je pri teh akumulatorjih večja kot pri svinčenih baterijah, hkrati pa so manjši, lažji in na voljo v podobnih velikostih kot so alkalne baterije. Običajno se uporablja v vsakodnevnih napravah, kot so igrače, solarne svetilke ali brezžični telefoni itd. V določenih primerih lahko nadomestijo alkalne baterije, primerni pa so predvsem za elektronske naprave z relativno veliko porabo električne energije.  V primerjavi z zastarelimi Ni-Cd akumulatroji so bolj učinkovite in zmorejo večjo energijsko gostoto, njihovi sestavni elementi so manj strupeni, hkrati pa so te baterije bolj odporne na prekomerno polnjenje in praznjenje. Polnjenje ni enostavno in nekateri proizvajalci ponujajo svoje posebne polnilnike.
• Z litij-ionski akumulatorji se vsakodnevno srečamo v mobilnih telefonih, prenosnih računalnikih in številnih drugih prenosnih napravah. Zaradi njihovih lastnosti – visoka energijska gostota, nizko samopraznjenje, majhne dimenzije – se uporabljajo tudi v vseh modernih tehnologijah – tako vojaški kot vesoljski tehnologiji. Litij-ionski akumulatorji so na voljo v različnih velikostih, njihova enocelična napetost pa je višja, kot pri ostalih vrstah akumulatorjev. Pri teh akumulatorjih obstaja veliko tveganje za eksplozijo, če pride do kratkega stika ali zunanje poškodbe.

Okoljski vpliv baterij in akumulatorjev

Baterije in akumulatorji imajo pomemben vpliv na okolje, tako med samo proizvodnjo kot tudi ob koncu njihove življenjske dobe.  Proizvodnja baterij zahteva pridobivanje in predelavo naravnih virov, kot so kovine (npr. litij, kobalt, nikelj), elektroliti in polimerni materiali. Ta proces lahko povzroči onesnaževanje vode in zraka, krčenje gozdov ter izkopavanje občutljivih ekosistemov. Zaradi tega je pomembno, da proizvajalci sledijo okoljskim standardom in uporabljajo trajnostne pristope k proizvodnji.

Zaključek

V svetu, kjer tehnologija vsak dan premika meje, so baterije in akumulatorji postali nepogrešljiv del našega življenja. Te majhne naprave, ki shranjujejo električno energijo, nam omogočajo, da ostanemo povezani, produktivni in mobilni, ne glede na to, kje smo. So gonilo naših elektronskih naprav, orodij, avtomobilov in celo obnovljive energije.

Poleg tega se tehnologija baterij in akumulatorjev nenehno razvija. Raziskovalci in inženirji trdo delajo, da bi izboljšali zmogljivost, trajnost in varnost baterij ter razvili nove rešitve za shranjevanje energije, ki bodo pripomogle k bolj trajnostni prihodnosti.

Ne glede na to, ali raziskujemo vesolje s pomočjo baterij na vesoljskih sondah, zagotavljamo neprekinjeno napajanje medicinskih naprav v bolnišnicah ali preprosto polnimo naš pametni telefon, se baterije in akumulatorji uvrščajo med najpomembnejše izume v zgodovini človeštva.

Ko boste naslednjič uporabljali svojo prenosno elektroniko, vozili električno vozilo ali razmišljali o prehodu na sončno energijo, se ozrite na svoje baterije in akumulatorje z novim spoštovanjem, saj so te majhne naprave tiste, ki ohranjajo naš svet v gibanju. In v prihodnosti bodo morda še bolj ključne, ko bomo skupaj gradili bolj trajnostno, mobilno in povezano družbo.