Baterija

Za druge upotrebe pogledajte stranicu Baterija (višeznačna odrednica).

U nauci i tehnologiji, baterija je elektrohemijski uređaj u kome je uskladištena hemijska energija (u vidu potencijalne energije), koja se može pretvoriti u električnu energiju kada se krajevi baterije, elektrode, spoje provodnikom. Baterija je uređaj koji se sastoji od jedne ili više elektrohemijskih ćelija sa spoljnim priključcima za napajanje električnih uređaja kao što su baterijske lampe, pametni telefoni, i električna kola. Kad baterija pruža električnu snagu, njen pozitivni priključak je katoda, a njen negativni priključak je anoda. Terminal označen kao negativan je izvor elektrona koji će teći kroz spoljašnje električno kolo do pozitivnog terminala. Katoda i anoda dakle, međusobno povezani preko spoljnog kola, predstavljaju medijum za prenos naelektrisanja i pri tome učestvuju u redoks reakcijama kao aktivne mase. Pedoks procesi - procesi koji daju energiju, odvijaju se na granici faze elektroda/elektrolit, dok se elektroni (oslobođeni iz anode tokom reakcija oksidacije) transportuju kroz spoljni električni krug (do katode) stvarajući dalje električnu energije koja se može koristiti za napajanje potrošača. Drugim rečima, kada se baterija poveže na spoljašnje električno opterećenje, redoks reakcija konvertuje visoko-energetske reaktante u proizvode niske energije, i razlika slobodne energije se isporučuje spoljašnjem kolu kao električna energija. Elektrolit je hemijska vrsta koja je istovremeno i elektronski izolator - fizički razdvaja anodu i katodu i jonski provodnik - ima ulogu da osigura transport jonskih vrsta između elektroda. Istorijski termin „baterija” se specifično odnosio na uređaj koji se sastojao od višestrukih ćelija, međutim njegova upotreba je evoluirala tako da sada obuhvata uređaje koji se sastoje od jedne ćelije. Prva poznata baterija je Bagdadska baterija iz perioda 250. p. n. e. i 640. p. n. e. Moderne baterije rade na principu koji je izumeo italijanski fizičar Alesandro Volta 1800. godine.

(AA) baterije

Baterije spadaju u takozvane primarne izvore električne energije, jer pretvaraju hemijsku energiju u električnu i ne mogu se puniti (proces nije reverzibilan). Za razliku od baterija, akumulator spada u sekundarne elektrohemijske izvore (reverzibilne) električne energije i može više puta pretvarati hemijsku u električnu energiju i obrnuto (može se puniti i prazniti). Drugi naziv za bateriju je primarni galvanski element. Galvanski elementi su primarni hemijski izvori struje. Postoji više vrsta galvanskih elemenata: Voltin, Danijelov, Leklanšov itd. Danijelovim elementom može se na jednostavan način objasniti princip baterije. Danijelov element se sastoji od cinkane elektrode potopljene u rastvor cink-sulfata (ZnSO4) i bakarne elektrode koja se nalazi u rastvoru bakar-sulfata (CuSO₄), jedni od drugog odvojeni su posudom od poroznog materijala kroz čije zidove mogu da prolaze samo joni SO₄. Kada se cinkana elektroda stavi u razblaženi vodeni rastvor cink-sulfata atomi cinka spontano prelaze u rastvor kao pozitivni joni Zn²⁺ ostavljajući svoja dva elektrona na elektrodi. Prelaženjem jona cinka u rastvor, elektroda postaje negativno naelektrisana, a rastvor pozitivno. U vrlo tankom pograničnom sloju između cinkane elektrode i rastvora nastaje električno polje usmereno tako da se suprotstavlja prelaženju jona Zn²⁺ u rastvor. Što više jona pređe u rastvor, ovo polje je sve jače. Ubrzo to električno polje dostiže onu vrednost pri kojoj se električna sila izjednačava sa hemijskom, te se dalje prelaženje jona Zn²⁺ u rastvor zaustavlja i naelektrisanje elektrode i rastvora se više ne povećavaju.

Baterije su dostupne u mnoštvu oblika i veličina, od minijaturnih ćelija koje se koriste za napajanje slušnih aparata i ručnih satova do malih, tankih ćelija koje se koriste u pametnim telefonima, do velikih olovno kiselinskih baterija ili litijum-jonskih baterija u vozilima, i u krajnjem ekstremu, ogromne baterijske banke veličine sobe koja pruža rezervnu ili hitnu snagu za telefonske centrale i računarske data centre. Prema proceni iz 2005. godine, industrija baterija je širom sveta generisala 48 američkih dolara milijardi u prodaji svake godine, sa godišnjim rastom od 6%.

Istorija

Glavni članak: Istorija baterije

Voltni element, prva baterija

Italijanski fizičar Alesandro Volta demonstrira svoj galvanski element francuskom caru Napoleonu Bonaparti

Upotreba „baterije” za opisivanje grupe električnih uređaja datira iz vremena Bendžamina Frenklina, koji je 1748. godine opisao višestruke Lejdenske posude po analogiji sa baterijom topova (Bendžamin Frenklin je pozajmio termin „baterija” iz vojske, gde se odnosi na oružje koje zajednički dejstvuje).

Italijanski fizičar Alesandro Volta izradio je i opisao prvu elektrohemijsku bateriju, voltni element, 1800. godine. Ona se sastojala od bakarne šičke i cinkane ploče, razdvojenih rasolom natopljenim papirnim diskovima. Ona je mogla da proizvodi postojanu struju tokom znatnog vremenskog perioda. Volta nije razumeo da je napon posledica hemijskih reakcija. On je smatrao da su njegove ćelije neiscrpan izvor energije, i da su povezani korozioni efekti na elektrodama puka neprijatnost, a ne neizbežna posledica njihovog rada, kao što je to pokazao Majkl Faradej 1834. godine.

Rane baterije su bile od velike važnosti u eksperimentalnoj primeni, međutim u praksi su njihovi naponi fluktuirali i one nisu mogle da obezbede veliku struju tokom dužih perioda. Danijelovu ćeliju je izmeo 1836. godine britanski hemičar Džon Frederik Danijel. Ona je bila prvi praktični izvor elektirciteta, tako da je postala industrijski standard i doživela široku adaptaciju kao izvor napajanja za mreže električnih telegrafa. Ona se sastojala od bakarne posude napunjene bakar sulfatnim rastvorom, u koji je bio uronjen neglazirani glineni sud napunjen sumpornom kiselinom sa cinkanom elektrodom.

Ove vlažne ćelije su koristile tečne elektrolite, te su bile sklone curenju i prosipanju, ako se njima nije pravilno rukovalo. Mnoge su koristile staklene posude za držanje njihovih komponenti, što ih je činilo krhkim i potencijalno opasnim. Ove karakteristike su učinile vlažne čelije nepodobnim za portabilne vidove primene. Pri kraju devetnaestog veka, izum baterija sa suvim ćelijama, u kojima su tečni elektroliti zamenjeni pastom, učinio je praktičnim portabilne električne uređaje.

Leklanšov članak

Postoje razni uređaji koji imaju sposobnost da na jednom (negativnom) priključku nagomilaju slobodne elektrone, koji zato nedostaju na drugom kraju uređaja ili pozitivnom priključku. Takav učinak može se postići na primer fizičko-hemijskim reakcijama u tzv. Leklanšovom članku, koji je bolje poznat pod izrazom baterijski članak ili baterija. Leklanšov članak je vrsta galvanskog članka koji je dobio ime po francuskom električaru Žoržu Leklanšu. Ona se sastoji od suda od cinka u koji se smješta hemijski aktivna materija - tzv. elektrolit i u njemu uronjen ugljena šipka. Takav članak zahvaljujući fizičko-hemijskim procesima u elektrolitu stvara razliku potencijala od 1,5 V na svojim izvodima. Pri tome će se elektroni gomilati na cinkanom sudu, tj. cinkani plašt prikuplja negativni izvod, a ugljena šipka pozitivni izvod ili pol baterije.

Princip rada

Leklanšov članak

Negativni pol (anoda) je cinkana čašica. Pozitivni pol (katoda) je ugljeni štapić u smesi mangan-dioksida (MnO₂) i ugljene prašine (čađi). Elektrolit je vodeni rastvor amonijum hlorida (NH₄Cl_(aq)) i cink hlorida (ZnCl₂) koji je dodavanjem skroba pretvoren u pastu.

Zatvaranjem strujnog kola između negativnog i pozitivnog pola (iskorištavanja „baterije”), počinju reakcije:

• anodna reakcija na negativnom polu (čašici):

Zn → Zn²⁺ + 2e^-

• katodna reakcija na pozitivnom polu (štapiću):

2MnO₂ + 2e^- + 2NH₄⁺ → Mn₂O₃ + 2NH₃ + H₂O

Zbrajanjem te dve reakcije se dobija:

Zn + 2MnO₂ + 2NH₄⁺ → Zn²⁺ + Mn₂O₃ + 2NH₃ + H₂O

Dakle, na negativnom se polu oslobađaju dva elektrona koja putuju kroz potrošač (gde obavljaju određeni rad) te dolaze do pozitivnog pola, gde učestvuju u hemijskoj reakciji. Kad se sav cink na čašici „potroši” (odnosno kad većina cinka otpusti po dva elektrona), hemijska reakcija više nije moguća pa se kaže da je „baterija prazna”. Leklanšov članak nije ponovo punjiv, odnosno nakon „potrošnje” cinka postaje neupotrebljiv. Pokušaj punjenja baterija koje nisu za to predviđene, redovno rezultira eksplodiranjem, ili u najmanju ruku „naduvavanjem” baterije s curenjem agresivog elektrolita koji nagriza uređaje u koje je baterija uložena.

Nekoliko vrsta baterija. Levo gore: akubaterija za fotoaparat

Novi Leklanšov članak (cink-ugalj) daje napon od 1,5 V. Neke vrste baterija (litijumske, nikal-kadmijumske i dr.) mogu međutim imati i manji radni napon, tj. 1,2 V po članku. Za veće napone, kombinuje se (povezuje se u seriju) više članaka. Baterije imaju mali kapacitet, pa se koriste za uređaje s malom potrošnjom struje. Za veću potrošnju koriste se akumulatori ili ispravljači, koji priključeni na gradsku električnu mrežu, postaju jednosmerni izvor. Ispravljači se često ugrađuju u uređaj koji napajaju.

Komponente

Jednostavan električni model baterije.

Ćelije u bateriji mogu biti povezane paralelno, serijski ili kombinovano. Paralelna veza predstavlja vezu istoimenih elektroda i daje isti napon kao jedna ćelija, ali jaču struju zbog smanjene unutrašnje otpornosti izvora. Serijska veza predstavlja vezu gde se katoda jedne vezuje na anodu druge ćelije što na kraju daje istu struju kao jedna ćelija ali veći napon. Najveći broj baterija koje se koriste u praksi ima serijsku vezu.

Vrste

Postoji više vrsta baterija:

1. Ni-Cd (nikal-kadmijum) baterija. Ona predstavlja prvu široko prihvaćenu punjivu bateriju opšte namene. Iako joj je hemijski sastav ekološki neprihvaćen, veliki životni vek čini je i danas vrlo pogodnom za određene primene.
2. Ni-MH (nikal metalni hidrid) baterije su vrlo raširen tip baterija za mobilne telefone. Odlikuje ih 30% veći kapacitet od NiCd baterija.
3. Li-jon (litijumski jon) baterije su savremeni tip baterije koje danas preovladavaju kao izvor napajanja mobilnih telefona. Odlikuje ih mala masa, znatno veći kapacitet od NiMH baterija i veći napon, ali su same po sebi vrlo osetljive.
4. Litijum-polimer je nova generacija baterija sa svojstvoma vrlo sličnim Li-jonskim batrijama.
5. Cink-vazduh su baterije nove tehnologije.

Upozorenje

Na komercijalnim baterijama najčešće piše da se ne mogu (ne smeju) puniti, jer može doći do njihovog preteranog zagrevanja, pa čak i eksplozije. Pošto se u baterijama nalaze hemijska jedinjenja opasna po ljudski organizam i životnu sredinu potrebno je obratiti pažnju pri rukovanju sa njima.

• Treba voditi računa da naročito mala deca ne dođu u kontakt sa baterijama, jer je opasno da ih progutaju (može doći do trovanja).
• Posle upotrebe (prazne) baterije ne treba bacati na smetlište ili u prirodu već ih treba prikupljati i reciklirati, kako se ne bi zagađivala voda i zemljište (životna sredina).

Literatura

• Pistoia, Gianfranco (2005). Batteries for Portable Devices. Elsevier. str. 1. ISBN 978-0-08-045556-3. Pristupljeno 18. 3. 2016. 
• Pauling, Linus (1988). „15: Oxidation-Reduction Reactions; Electrolysis.”. General Chemistry. New York: Dover Publications, Inc. str. 539. ISBN 978-0-486-65622-9. 
• Crompton, T.R. (2000). Battery Reference Book (third izd.). Newnes. str. Glossary 3. ISBN 978-0-08-049995-6. Pristupljeno 18. 3. 2016. 
• Dingrando, Laurel; et al. (2007). Chemistry: Matter and Change. New York: Glencoe/McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-877237-5.  Ch. 21 (pp. 662–695) is on electrochemistry.
• Fink, Donald G.; Beaty, H. Wayne (1978). Standard Handbook for Electrical Engineers, Eleventh Edition. New York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-020974-9. 
• Knight, Randall D. (2004). Physics for Scientists and Engineers: A Strategic Approach. San Francisco: Pearson Education. ISBN 978-0-8053-8960-9.  Chs. 28–31 (pp. 879–995) contain information on electric potential.
• Linden, David; Reddy, Thomas B. (2001). Handbook of Batteries. New York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-135978-8. 
• Saslow, Wayne M. (2002). Electricity, Magnetism, and Light. Toronto: Thomson Learning. ISBN 978-0-12-619455-5.  Chs. 8–9 (pp. 336–418) have more information on batteries.

Spoljašnje veze

• Profesionalci: Dejan Ilić, naučnik, RTS Prikazuje - Zvanični kanal
• Brzi vodič kroz baterije za graditelje robota (jezik: engleski)
• Elektrohemijska enciklopedija - Jednokratne baterije (jezik: engleski)
• Rečnik i terminologija baterija (jezik: engleski)
• Tehnologije baterija - Imenik stranica koje pokrivaju teoriju, istraživanje, razvoj i tržište uređaja koji poboljšavaju trend u pravcu čistih obnovljivih izvora energije. (FreeEnergyNews) (jezik: engleski)
• Svet prenosivih baterija - Priručnik o punjivim baterijama za laike - sadrži obimnu sekciju pitanja i odgovora o punjivim baterijama (jezik: engleski)
• Razvoj baterija - Istorija baterija, energije i srodnih tehnologija (jezik: engleski)
• Gorive ćelije za mobilne telefone dolaze u 2007. Infoworld July 13, 2005 (jezik: engleski)
• Resursi baterija na PESWiki, otvorenom viki portalu o alternativnim i obnovljivim energetskim rešenjima (jezik: engleski)
• Tablice za proračune vrednosti (jezik: engleski)
• Praktična znanja o baterijama (jezik: engleski)