Nazeleno.cz – úspory energie, izolace, zdravý životní styl, biopotraviny, ekologie [logo]

DOPORUČUJEME:

Ceny Energie

Najdeme nejlevnějšího dodavatele!

Partneři sekce

Baterie a akumulátory v domácnosti - technologie baterií

V dnešní době se v průměrné domácnosti používá až neuvěřitelné množství různých zařízení, která mají bateriové napájení. Stále se také objevují nové typy, které mají lepší vlastnosti a ovšem také zpravidla vyšší cenu. Jaké jsou nejběžnější technologie baterií?

02. 05. 2013 | Karel Murtinger

Ve zkratce:

Podle našich zjištění až pětinu baterií vyhazujeme předčasně. Jaké jsou technologie baterií, které najdete v každé domácnosti? A věděli jste, že jakoukoli baterii můžete teoreticky dobíjet podobně jako běžný akumulátor? V úvodním článku naší technologické série se zaměříme na principy nenabíjecích článků.

Značná část spotřebičů v domácnosti využívá napájení z elektrochemických článků - baterií. Například ve svém bytě mám nyní přes čtyřicet takových zařízení a k nim skoro dvacet různých nabíječek či napájecích adaptérů. Celkový počet baterií (včetně náhradních) nejspíš výrazně přesahuje stovku. Stále se také na trhu objevují nové typy s různými a vylepšenými vlastnostmi.

Pokud bychom měli být důslední v terminologii, výraz „baterie“ by se měl používat jen pro sestavu více jednotlivých elektrochemických článků, ale běžně se tímto výrazem označují i jednotlivé články. V tomto textu budu pro stručnost používat výraz „baterie“ v tomto širším významu jak pro primární články (nenabíjecí) tak pro akumulátory (nabíjecí).

Přestože elektrochemické zdroje proudu mne vždy zajímaly a dost toho o nich vím, mám občas problém se v tom všem vyznat. Zjevně nejsem sám, nedávno jsem čistě ze zvědavosti provedl „průzkum“ několika kontejnerů či krabic, které jsou umístěny v obchodech pro odkládání vyřazených baterií, a nabral si nějaké vzorky, jež jsem doma podrobil podrobnějšímu zkoumání.

Mnoho baterií vyhazujeme předčasně - v méně náročných spotřebičích ještě mohly dlouho sloužit

Zjistil jsem překvapivou věc. Odhadem 20 % baterií bylo vyhozeno předčasně a pro některé aplikace jsou ještě perfektně použitelné. Soudím tedy, že není od věci udělat nějaký přehled, jaké elektrochemické zdroje proudu se dnes používají, k čemu se hodí a k čemu ne, a jak o ně pečovat aby vydržely co nejdéle. Elektřina z těchto zdrojů je totiž nejdražší zdroj energie v domácnosti a bez nich by většina našich „miláčků“, jako je telefon, tablet či notebook, byla téměř nepoužitelná.

Elektrochemické zdroje proudu

Elektrochemický (dříve galvanický) článek je už znám dlouho. Volta sestavil svůj článek z měděných a zinkových destiček již v r.1799.

Voltův elektrochemický článek (Foto: autor)

V zásadě je elektrochemický článek velmi jednoduché zařízení. Jed o dvě elektrody z různých materiálů, mezi nimiž se nachází elektrolyt. Pro praktickou realizaci musíme přidat ještě nějaké pouzdro, v němž je vše umístěno, vývody z nichž odebíráme proud a některé další pomocné struktury (separátory, mřížky, přísady do elektrolytu, ochrany proti přetížení apod.)

Proces, kterým baterie generuje elektrický proud, je také celkem jednoduchý. Lze to ukázat třeba na Danielově článku (s oblibou se probírá ve škole). Jeho schematické znázornění je na následujícím obrázku.

Schéma Danielova elektrochemického článku (Obr.: autor)

Vlastní článek se skládá ze dvou poločlánků spojených solným můstkem, kterým mohou procházet ionty, ale který zabraňuje míchání elektrolytu. Levý poločlánek obsahuje kovovou zinkovou elektrodu ponořenou do roztoku zinečnatých iontů (v tomto případě síran zinečnatý). Pravý poločlánek pak měděnou elektrodu ponořenou do roztoku měďnatých iontů.

Zinek v (levém poločlánku) je reaktivnější kov, který se ochotně vzdá svých valenčních elektronů a přejde do roztoku ve formě Zn2+ (síranu zinečnatého). Uvolněné elektrony se „tlačí“ ven z levého poločlánku a jsou připojeným drátem vedeny do spotřebiče, kde konají elektrickou práci a dále pokračují na měděnou elektrodu pravého poločlánku. Měďnaté ionty Cu2+ na povrchu měděné elektrody (v pravém poločlánku) je ochotně přijmou a zredukují se na kovovou měď, která se na povrchu elektrody vyloučí.

Vlastnosti baterie závisí na dvojici použitých kovů

Který kov se bude rozpouštět a který vylučovat, je dáno jejich postavením v takzvané Beketovově řadě napětí. Stejná reakce proběhne, i když vhodíme pozinkovaný hřebík do roztoku síranu měďnatého. Tady se ovšem energie při reakci uvolněná promění v teplo. Půvab elektrochemických článků spočívá v tom, že rozdělením reakce na dvě prostorově oddělené (polo)reakce donutíme elektrony projít spotřebičem a místo tepelné energie získáme mnohem všestranněji využitelnou energii elektrickou.

Kolik elektronů (jak velký náboj) elektrodami proteče, závisí na tom, jaké kovy použijeme - hlavně na jejich molární hmotnosti a na náboji iontů, které vytváří. Napětí článku pak záleží na elektrochemickém potenciálu použitých kovů - napětí je rozdílem jejich potenciálů (viz Baketovova řada napětí popsaná výše). Například v případě kombinace mědi a zinku je to přibližně 1 V. Nejlepší materiál na anodu (záporný pól článku) je lithium. Na katodu by nebylo špatné zlato, nicméně ještě lepší a hlavně levnější jsou některé nekovové prvky, respektive oxidační činidla ve spojení s vhodnou inertní elektrodou. V bateriích se jako katoda často používá uhlík.

Největší napětí - skoro 6 V - by měl článek s lithiovou anodou a fluórem na katodě; je to ale nejspíš nerealizovatelná kombinace. Z těch realizovatelných je asi nejlepší použít na katodě vzdušný kyslík (Li-vzduchová baterie); toho je totiž všude kolem dost. Tenhle typ baterií by byl ideální pro pohon elektromobilů (viz náš článek Lithium: Nejdůležitější součást elektromobilů?).

Každou baterii můžete teoreticky použít jako akumulátor

Je dobré také připomenout, že pokud obrátíme tok elektronů tím, že připojíme článek k vnějšímu zdroji napětí z nabíječky, obrátí se i průběh reakcí na elektrodách. Zinek se začne vylučovat a měď rozpouštět. Skoro každá baterie se tak teoreticky dá použít i jako akumulátor. V praxi jsou ale mezi takzvanými primární články, které se po vyčerpání nedají znovu použít, a mezi skundárními články (akumulátory) značné rozdíly v konstrukci a používaných materiálech. V posledních letech se v omezené míře používají modifikované alkalické baterie, které se dají dobíjet ( tzv. RAM baterie), které lze řadit na rozhraní obou skupin.

Nejčastěji používané typy článků z hlediska jejich chemie

Zinkové články

Primární baterie se zinkovou anodou jsou asi nejrozšířenějším elektrochemickým zdrojem proudu. Běžně se používají následující elektrochemické systémy, které se mezi sebou liší složením elektrolytu a materiálem katody:

MnO2/Zn s mírně kyselým elektrolytem s obsahem NH4Cl – takzvaný zinko-uhlíkový článek. Je to už velmi dlouho používaný typ, jeho výhodou je nízká cena, nevýhodou nižší vybíjecí proud a kapacita. Zinkový obal zde slouží současně jako anoda a při přílišném vybití hrozí jeho proděravění a prosakování elektrolytu. Katoda je uhlíková a oxid manganičitý se na ní redukuje na sloučeniny trojmocného manganu. Napětí článku je 1,5V.

.

Schéma zinko-uhlíkového článku (Obr.: archiv autora)

MnO2/Zn s alkalickým elektrolytem (alkalická baterie). Jde o významné vylepšení předchozího typu článku. Jako elektrolyt je použit hydroxid draselný a zinek je v něm ve formě prášku, což znamená výrazně větší povrch anody a tím i výrazně nižší odpor a lepší proudovou zatížitelnost a též i určité zvýšení kapacity. Kapacita je dále navýšena tím, že MnO2 se v alkalickém prostředí redukuje z Mn4+ až na Mn2+ (namísto Mn3+). Vnější obal je z ocelového plechu a neúčastní se elektrodových reakcí. Nehrozí tedy takové riziko proděravění a vytečení (na rozdíl od předchozího typu zde obal tvoří kladný pól).

Schéma alkalické baterie článku (Obr.: archiv autora)

Ag2O/Zn – stříbrozinkový článek má katodu tvořenou oxidem stříbra. Má dobrý poměr kapacity ke hmotnosti a malé samovybíjení. Kvůli vysoké ceně stříbra jsou tyto články poměrně drahé a používají se proto nejčastěji jako malé knoflíkové baterie například do hodinek.

HgO/Zn – běžně se jim říká rtuťové baterie a jejich hlavní výhodou je velmi plochá vybíjecí křivka a malé samovybíjení. Napětí naprázdno je 1,35 V. Při malém zatížení se napětí nemění o více než 1 % po několik let a nemění se také se změnami teploty. Používaly se proto i jako zdroj referenčního napětí pro některé přístroje. V současné době jsou již baterie s obsahem rtuti zakázané.

O2/Zn (zinko-vzduchová baterie). Tyhle baterie se u nás používaly dříve pro napájení telefonních zařízení, dnes se používají některé miniaturní verze pro napájení zařízení s malým odběrem proudu. Jejich základní výhoda je stálé napětí a velká kapacita, zásadní nevýhoda je ale malá proudová zatížitelnost. Jsou tedy vhodné jen tam, kde se odebírá malý proud po dlouhou dobu. V současnosti se pomalu daří zvládat různé problémy při nabíjení tohoto typu článku. Tato technologie by se mohla začít používat v relativně levných akumulátorech s vysokou měrnou kapacitou.

Lithiové články

Lithium je nejvýhodnější kov pro použití na anodu baterií a existuje celá řada primárních článků, které jej využívají. Liší se od sebe provedením druhé elektrody (katody) a použitým elektrolytem. V domácnosti se používá jen několik málo typů lithiových článků.

MnO2/Li – jde o nejrozšířenější lithiovou baterii pro běžné použití. Anoda je kovové lithium, katoda z oxidu manganičitého a elektrolyt je chloristan lithný rozpuštěný v nějakém polárním organickém rozpouštědle. Napětí článku naprázdno je 3,2 V, za provozu pak 3 V. Ampérhodinová kapacita je větší než zinkových baterií. Mají malé samovybíjení (jen asi 3 % za rok). Jako příklad lze uvést baterii Emerich ER 34615 o velikosti monočlánku, s kapacitou 19 Ah nebo 9V blok s kapacitou 0,9 Ah.

Baterie a akumulátory:

 

FeS2/Li- Tento typ se používá jako náhrada zinkových alkalických baterií, protože má poměrně blízké napětí (naprázdno 1,8 V , za provozu 1,6 – 1,4 V). Dobře snáší větší vybíjecí proudy a má malé samovybíjení. Baterie Energizer Ultimate Lithium ve tvaru tužkového článku vydrží podle údajů výrobce například ve fotoaparátu 9x déle a váží 3x méně než alkalická baterie Energizer Max. Může se skladovat až 15 let.

Lithiové baterie mají vyšší kapacitu a nízké samovybíjení, než běžné alkalické články. (Foto: autor)

V příštím pokračování série článků o zdrojích proudu se podíváme na sekundární elektrochemické články tj. Akumulátory.

Související články

Tagy: Energie, Technologie

Nazeleno.cz - vše o úsporách energií

Katalog firem

Citybikes s.r.o.

Firma Citybikes s.r.o. se zabývá prodejem a výrobou městských kol, elektrokol, a příslušenství pro městskou…

<!-- -->
Citybikes s.r.o.

Firma Citybikes s.r.o. se zabývá prodejem a výrobou městských kol, elektrokol, a příslušenství pro městskou…

<!-- -->
Chcete být na tomto místě? Zvolte zvýhodněný zápis!