Bateria - co o niej wiemy?

Baterie należą do elektrochemicznych źródeł zasilania - energia elektryczna powstaje w wyniku zachodzących reakcji chemicznych. Każda bateria zbudowana jest z jednego lub więcej ogniw, dzięki czemu otrzymuje się potrzebne napięcie zasilania.

Żaba, Napoleon i starożytna bateria sprzed ponad dwóch tysięcy lat

Większość historyków jako początek prac nad stworzeniem baterii podaje koniec XVIII w., jednak prace archeologów dowodzą, że była ona znana już w III w. p.n.e. W 1936 r. Wilhelm Kӧnig odkrył w Iraku, pod Bagdadem, znalezisko, uznawane za pierwszy poznany przykład prymitywnego ogniwa elektrycznego. Było to 12-centymetrowe gliniane naczynie zawierające żelazny pręt, a także zaschnięta ciecz. Według Kӧniga była to starożytna bateria wykorzystywana do galwanizacji.

Prawdziwym przełomem były jednak prace włoskiego lekarza, fizyka i fizjologa Luigiego Galvaniego, który w 1786 r. odkrył, że mięśnie martwej żaby kurczą się, jeśli znajdują się między dwoma różnymi metalami, np. cynowym talerzem i srebrnym nożem. Nazwał to zjawisko „elektrycznością zwierzęcą”.

Odkryciami Galvaniego zainteresował się jego rodak - fizyk Alessandro Volta. Wyjaśnił, że powstanie prądu nie jest związane z organizmem żywym, ale metalami zanurzonymi w elektrolicie. W 1800 r. stworzył tzw. stos Volty, który można nazwać prototypem baterii. Były to ułożone naprzemiennie monety z dwóch różnych metali, np. cyny i miedzi, oddzielone papierem nasączonym kwasem lub roztworem soli.

To „ogniwo galwaniczne” było jednak urządzeniem wysoce eksperymentalnym i na tyle zawodnym, że nie nadawało się do codziennego użytku. Wynalazkiem zafascynował się jednak Napoleon, którego wojska wkroczyły do Lombardii, gdzie mieszkał naukowiec. Dzięki temu Volta mógł zaprezentować swoje dzieło w 1802 r. na specjalnym pokazie w Paryżu. Został on potem obdarzony licznymi honorami, a jednostkę napięcia elektrycznego do dziś nazywamy woltem na jego cześć.

W 1836 r. angielski chemik John Frederic Daniell poprawił sprawność konstrukcji Volty, opracowując metodę eliminującą problemy związane z korozją. Skonstruował ogniwo składające się z elektrody cynkowej zanurzonej w roztworze siarczanu cynku oraz elektrody miedzianej zanurzonej w siarczanie miedzi.

W 1866 r. francuski chemik Georges Leclanché opracował „mokre” ogniwo. Projekt ten udoskonalił niemiecki naukowiec Carl Gassner, który w 1888 r. wynalazł ogniwo „suche”, będące prototypem dzisiejszych baterii węglowo-cynkowych.

W latach 50. XX w. amerykański wynalazca Samuel Ruben wymyślił ogniwo rtęciowe oraz ulepszył alkaliczną baterię manganową. Z kolei kanadyjski chemik Lewis Urry rozpoczął prace, w efekcie których wynalazł baterię alkaliczną i litową. Prototyp pierwszej baterii alkalicznej, zbudowany przez naukowca w 1959 r., można zobaczyć w Narodowym Muzeum Historii Amerykańskiej w Waszyngtonie, obok pierwszej żarówki Edisona.

Które baterie najlepiej sprawdzają się w szczoteczkach elektrycznych?

Najstarszym rodzajem baterii wprowadzonym do powszechnej sprzedaży są baterie cynkowo-węglowe. Sprawdzają się w urządzeniach, które nie mają zbyt wysokiego poboru prądu: latarkach, zabawkach, radiach, budzikach, pilotach, zegarach, kalkulatorach czy szczoteczkach do zębów. Do ich zalet należy zaliczyć niski koszt produkcji i niską cenę. Charakteryzują się one jednak słabą wydajnością i krótką żywotnością - czas ich przechowywania to okres maksymalnie do 2 lat.

Najbardziej znane są baterie alkaliczne. Sprawdzają się w średnim i dużym poborze prądu. Można je wykorzystać w: przenośnych magnetofonach, latarkach, aparatach fotograficznych, elektronicznych notesach. Ich zaletą jest duża pojemność i żywotność - czas przechowywania baterii alkalicznych wynosi 5-7 lat.

Baterie srebrowe, często nazywane również tlenkowo-srebrowymi lub srebrowo-cynkowymi, charakteryzuje przede wszystkim stabilne napięcie wyjściowe, które po rozładowaniu szybko spada. Sprawdzają się zatem w urządzeniach, które wymagają stałego napięcia i są czułe na jego zmianę: kamerach, kalkulatorach, termometrach, zegarkach. Baterie srebrowe po ok. 5 latach zaczynają przeciekać i stają się wówczas bezużyteczne, jak i groźne dla środowiska. Wynika to z faktu, że podczas przechowywania cynk ulega korozji w zasadowym elektrolicie. Zwykle taka bateria przestaje być zdatna to do użytkowania po ok. 2 latach.

Baterie litowo-jonowe wyróżniają się bardzo dużą gęstością energii - mają jej blisko trzykrotnie więcej w porównaniu do baterii alkalicznych tego samego rozmiaru. Stosowane są do podtrzymywania pamięci w: zegarach, kamerach, aparatach fotograficznych, kalkulatorach, komputerach, w miernictwie i akwizycji danych czy w systemach transmisyjnych. Baterie tego typu pracują w zakresie temperatur od -40 do 65℃. Mają bardzo niski współczynnik samorozładowania, dlatego będą przydatne nawet przez ok. 10 lat.

Najważniejszą zaletą baterii cynkowo-powietrznych jest długi czas przechowywania. W opakowaniach zamykanych fabrycznie mogą znajdować się nawet 4 lata. Ich czas pracy wynosi od 3 do 4 miesięcy. Zwykle wykorzystuje się je w aparatach słuchowych lub w urządzeniach telemetrycznych.

Politechnika Warszawska dla przemysłu bateryjnego

Politechnika Warszawska jest silnie zaangażowana w rozwój europejskiego przemysłu bateryjnego. W lutym 2018 r. Uczelnia wraz z sześcioma innymi jednostkami naukowymi zawiązała konsorcjum Pol-Stor-En. Jego głównym celem jest zwiększenie potencjału naukowego dla rozwoju magazynowania energii oraz współpraca z przemysłem w zakresie nowych rozwiązań w tej dziedzinie, m.in. polskiej baterii do pojazdów elektrycznych.

W badania na rzecz rozwoju przemysłu bateryjnego zaangażowani są przede wszystkim naukowcy z Wydziału Chemicznego PW. W ramach konsorcjum uczestniczą (wraz z zespołami z Wydziału Elektrycznego oraz Wydziału Fizyki) w projekcie POWERSKIN+, który skupia się na zaprojektowaniu zeroemisyjnych budynków poprzez zastosowanie wydajnego systemu magazynowania i zarządzania energią. System magazynowania i dystrybucji energii oparty będzie na ogniwach Li-ion po zakończeniu ich pracy w samochodach elektrycznych. POWERSKIN+ jest finansowany ze środków Unii Europejskiej, z programu Horyzont 2020, podobnie jak kolejny projekt - ASTRABAT, w ramach którego mają powstać baterie litowo-jonowe III generacji, czyli z użyciem stałych komponentów, przede wszystkim dla motoryzacji.

Naukowy z Wydziału Chemicznego uczestniczą również w pracach konsorcjum, które opracowuje założenia do produkcji baterii litowo-jonowych uniezależniających Europę od produkcji w krajach azjatyckich - projekt BIG-MAP, a także inicjatywie Faraday Institute - NEXGENNA. Jej celem jest zrewolucjonizowanie sodowych technologii akumulatorowych, aby były konkurencyjne cenowo wobec innych metod chemicznego magazynowania energii. W ramach projektu BATTERY 2030+ opracowana zostanie natomiast długoterminowa mapa drogowa badań nad bateriami w Europie.

Baterie przyszłości

Badania nad nowymi generacjami baterii trwają. Prowadzone są w kierunku poszukiwania technologii opartych o szeroko dostępne surowce, takie jak: sód, magnez, aluminium, wapń, a także dających większą wartość energii. Ważną kwestią jest zmniejszenie wpływu na środowisko - próba zastąpienia albo minimalizacji substancji szkodliwych: kobaltu, fluoru w elektrolicie, zastępowanie rozpuszczalników ciekłych substancjami żelowymi. Czekamy zatem na kolejne wieści i odkrycia związane z przemysłem bateryjnym.

Powiązany materiał:
Szansa na polskie spécialité de la maison