Baterija

21.04.2005

Što povezuje walkman, slušni aparat, daljinski upravljač, mobitel, kameru i sat? Nijedan od ovih uređaja ne bi mogao raditi bez baterije. Baterije su vrlo upotrebljavani proizvodi u našim kućanstvima i izvan njih, a nikada zapravo ne razmišljamo o tome kako rade i kako su nastale. Više o tome kako rade ovi mali spremnici energije saznat ćete ako nastavite čitati ovaj tekst.

Princip rada

Svaka baterija sastoji se od osnovne tri komponente - anode, katode i elektrolita.Anoda oksidira, odnosno otpušta elektrone dok se na katodi odvija redukcija, tj. proces prihvaćanja elektrona. Elektrolit služi odvajanju anode i katode, odnosno kao spremnik kemijske energije. On mora biti dobar vodič protona, ali slab vodič elektrona, tj mora usporavati reakciju prebacivanja elektrona sa anode na katodu kroz elektrolit eda bi što više elektrona prošlo kroz vodiče koje bi spojili na izvode elektroda (struja). Kada se elektrolit 'potroši', tj. kada svi elektroni prijeđu s anode na katodu, bateriju možemo baciti.

Evolucija

Ideju baterije, koja zapravo i nije izgledala kao baterija, možemo pronaći u reakciji koju je koristila tzv. Daniellova ćelija. Daniell je cink stavio u otopinu cinkova sulfata, a bakar u otopinu bakrova sulfata. Na taj način dobio je realcije oksidacije i redukcije, kao što smo spomenuli gore.

Oksidacija: Zn(s) Zn2+(aq)+ 2e-

Redukcija: Cu2+(aq) + 2e- Cu(s)
 

Napon zbog oksidacije cinka iznosi -0,76V, a napon zbog redukcije bakra iznosi 0,34V. Kada to oduzmemo dobijemo napon od 1,10V (oduzimamo napon oksidacije od napona redukcije). Ako bi zamijenili cink i bakar dobili bi negativan napon od -1,10V.
 

Prva prava baterija nastala je 1799. godine i napravio ju je Volta po kojoj je dobila i ime - Volitn kup ili Voltina hrpa (Volta's pile). Princip je bio vrlo jednostavan - stavimo otopinu H2SO4 ili KOH između bakra i cinka i dobili smo bateriju. Cink oksidira, ali bakar ovdje ne reducira, nego to čini kisik iz elektrolita, jer bakar u ovom slučaju ne može reducirati (plemenitiji je od cinka).
Sljedeća baterija bila je načinjena od ekološki prihvatljivog mangana (Mn) i cinka. Napravio ju je Leclanche 1866.godine. Imala je napon od 1,5V i koristila je vrlo složene kemijske procese te je često znala 'curiti' zbog unutrašnje korozije materijala.
Prva 'alkalna' baterija nastala je 1940.godine i u njoj se kao elektrolit upotrebljava kalijev hidroksid (KOH). Ova baterija baš nije ekološki prihvatljiva zbog velikog udjela kadmija i žive. Međutim, njezina velika prednost je čak pet do osam puta dulje trajanje od baterija sa cinkom i bakrom!

Najnovija primarna baterija (primarne baterije su one koje se ne mogu puniti) je litijska baterija. Ima dugi životni vijek, veliki kapacitet, lagana je i malena i može se upotrebljavati u temperaturnom rasponu od -30 do +60 °C. Takve baterije upotrebljavaju se u pacemakerima zbog svoje postojanosti i organskih elektrolita.

S vremenom je došlo i do uporabe raznih hibrida baterija i gorivih ćelija. (Razlika između baterije i gorive ćelije je ta što baterija ima spremnik energije i kada se on potroši, bateriju treba napuniti ili baciti, dok kod gorive ćelije imamo konstantan tok energije.) Jedan od takvih hibrida bila je tzv. cink-zrak ćelija koja se upotrebljavala za slušne aparate zbog svojih vrlo malih dimenzija.

Baterije koje upotrebljavamo u mobitelima i slučnim uređajima mogu se ponovno puniti, pa takve baterije nazivamo sekundarnima.

Prva takva baterija bila je nikal-kadmijska (NiCd) koja je imala vrlo dobru učinkovitost,ali je i bila vrlo opasna za ljudski organizam zbog upotrebe kadmija koji uzrokuje oštećenja bubrega, a u ženskom organizmu može dovesti do zamjene kalcija kadmijem što vodi do težih posljedica. Kod NiCd baterija također je zamijećen tzv. memory efekt - baterija 'pamti' ako je niste dobro napunili te se nikada više ne puni iznad te razine.

Sljedeća se razvila nikal-metal-hidridna (NiMH) baterija koja se brzo puni, ali je isto tako i vrlo skupa te se najčešće koristi za hibridna vozila.
Baterija koju u posljednje vrijeme najčešće susrećemo u mobitelima je litij-ionska baterija. Kao što ste možda primijetili, ponovno govorimo o litiju, kao i kod primarnih baterija. Zašto? Litij ima najveći potencijal u elektrokemiji i najbolji je materijal za izradu baterija.

Nova baterija koja će se tek početi više koristiti u budućnosti je litij-polimerska baterija sastavljena od nekoliko slojeva različitih materijala i koja se pokazala najstabilnijom i najboljom dosad, ali je još uvijek preskupa za svakodnevnu potrošnju.