Baterie od strony technicznej

Baterie od strony technicznej

Jakie są najpopularniejsze rodzaje baterii? Do czego są wykorzystywane? Jak są zbudowane? Jakie są ich wady i zalety? Szczegółowy poradnik na temat nieładowalnych ogniw galwanicznych.


Na wstępie…

Niniejszy artykuł dotyczy ogniw nieładowalnych. O tym jak działają takie ogniwa i jakie są ich najważniejsze cechy pisałem w innym artykule. Zachęcam do zapoznania się z nim, gdyż wyjaśnia on wszystkie pojęcia, z których będę dzisiaj korzystał:

Kliknij tutaj, by przejść do artykułu ,,Jaka działa bateria?”

Na początek przedstawię sposób na odkodowanie symboli zawartych na etykiecie baterii. Następnie prześledzimy charakterystykę, budowę i zastosowanie popularnych niegdyś i dziś ogniw. Na koniec sprawdzimy, które z nich są najpojemniejsze, które wytrzymują najdłużej, a które z kolei są najtańsze.

Identyfikacja baterii

Znajdź jakiś zegarek, kalkulator lub latarkę i wyjmij z niej baterię. Na etykiecie każdej baterii, pośród wielu różnych znaków i symboli, znaleźć można następujące informacje:

  • umiejscowienie bieguna dodatniego (lub obu biegunów)
  • napięcie nominalne (np. 1,5 V)
  • symbol IEC
Symbol IEC znajduje się na opakowaniu zbiorczym oraz na każdej baterii

Biegunowość (symbol + i -) oraz napięcie są łatwe do zdekodowania. Inaczej sprawa ma się z symbolem normy IEC. Jeśli spojrzymy na typowego ,,paluszka” (baterię AA) to najczęściej znajdziemy na nim symbol LR6. Płaskie i okrągłe baterie to np. CR2032, z kolei duże i płaskie 9-woltowe baterie to 6F22. Jak to rozszyfrować?

Objaśnienie symboli normy IEC

Symbol IECLiczba ogniwSystem chemicznyKształtRozmiarOpis
6F226brakF22Sześcioogniwowa bateria cynkowa (brak), płaska (F), o rozmiarze 22.
CR20321CR20 mm / 32 mmJednoogniwowa bateria litowa (C), cylindryczna (R), o wymiarach nietypowych (średnica 20 mm, wysokość 3,2 mm)
LR61LR6Jednoogniwowa bateria alkaliczna (L), cylindryczna (R), o rozmiarze 6.

Powyższa tabela to jedynie przykład trzech z wielu możliwych kombinacji. Zacznijmy od systemu chemicznego, określającego z czego wykonana jest katoda, anoda i elektrolit, oraz jakie jest napięcie nominalne takiego ogniwa:

System chemiczny według IEC

System chemicznyElektroda ujemnaElektroda dodatniaElektrolitNapięcie nominalne
brakCynkTlenek manganu (IV)Chlorek amonu, chlorek cynku1,5 V
ACynkPowietrzeChlorek amonu, chlorek cynku1,4 V
BLitFluorek grafituOrganiczny3 V
CLitTlenek manganu (IV)Organiczny3 V
ELitChlorek tionyluNiewodny, nieorganiczny3,6 V
FLitSiarczek żelazaOrganiczny1,5 V
GLitTlenek miedzi (II)Wodorotlenek metalu alkalicznego1,5 V
LCynkTlenek manganu (IV)Wodorotlenek metalu alkalicznego1,5 V
PCynkPowietrzeWodorotlenek metalu alkalicznego1,4 V
SCynkTlenek srebraWodorotlenek metalu alkalicznego1,6 V

Kolejnym znakiem symbolu IEC jest kształt baterii. Najpopularniejsze konstrukcje to:

Kształt według IEC

Oznaczenie kształtuOpis
Rcylindryczny
Pnieowalny
Fpłaski
Sprostokątny

Rozmiarów baterii dla każdego z kształtów jest przeogromna ilość i znaleźć je można w tabelach normy IEC 60086-2. Poniżej w ramach przykładu przedstawiam wymiary różnego rodzaju baterii o kształcie R (popularnych ,,paluszków”):

Podstawowe rozmiary baterii R według normy IEC

SymbolŚrednica [mm]Wysokość [mm]Popularne oznaczenie
R0310,544,5AAA
R112,030,2N
R614,550,5AA
R1426,250,0C
R2032,261,5D
R2532,091,0F

Skoro podstawowe informacje na temat oznaczeń mamy za sobą i jesteś w stanie rozszyfrować czym jest bateria leżąca przed tobą, to czas teraz sprawdzić jakie są wady i zalety poszczególnych ogniw oraz jakie jest ich zastosowanie.

Zaczynamy!

Baterie cynkowo-węglowe

Ogólna charakterystyka

Baterie cynkowe znane są od ponad 100 lat (istna prehistoria w świecie elektroniki!). Choć ich znaczenie w Europie i Stanach Zjednoczonych w ostatnich latach maleje, to w skali światowej stanowią wciąż 1/3 całego rynku baterii. Dzięki niskim kosztom produkcji, szerokiej dostępności oraz ogromnej gamie kształtów, rozmiarów i napięć znamionowych, baterie te królują w krajach rozwijających (aż 2/3 baterii sprzedawanych w ameryce łacińskiej to ogniwa cynkowo-węglowe).

Podstawą tego typu ogniw są dwie konstrukcje:

  • ogniwo Leclanché’go
  • ogniwo cynkowo-chlorkowe

Pomimo, że za wynalazcę ogniwa uznaje się Alessandro Voltę, to prawdziwy przełom w tej dziedzinie nastąpił dopiero sto lat później, kiedy to w 1866 roku francuski chemik Georges-Lionel Leclanché opracował pierwsze ogniwo cynkowo-węglowe. Konstrukcje Volty i jego następców były mało praktyczne. Rozwiązanie Leclanché’go było zaś odpowiedzią na potrzebę opracowania prostych i niezawodnych źródeł zasilania dla sygnalizacji kolejowych i agencji telegraficznych. Ogniwo cynkowo-węglowe było pierwszą baterią wykorzystującą elektrolit o niskiej korozyjności. Rozwiązywało to szereg problemów nękających dotychczasowe wynalazki oparte na niezwykle silnych kwasach – bateria była bezpieczniejsza w użyciu, a jej żywotność znacząco wzrosła.

Rozwój elektroniki w XX wieku zaowocował szeregiem usprawnień baterii cynkowych. Ich obecna długość pracy wzrosła o 400% względem konstrukcji z początku ubiegłego stulecia. Znaczącym krokiem naprzód było opracowanie baterii cynkowo-chlorkowej. Znalazła ona szerokie zastosowanie tam, gdzie ogniwo Leclanché’go radziło sobie najgorzej – w urządzeniach o wysokim i długotrwałym poborze energii.

Budowa

Baterie cynkowe wykonane są w przeróżnych kształtach i rozmiarach, ale zdecydowanie najbardziej popularny jest kształt cylindryczny.

Podstawą baterii jest cynkowa puszka pełniąca rolę zarówno pojemnika na pozostałe komponenty, jak i anody (ujemnego bieguna baterii). Biegunem dodatnim jest natomiast skompresowana mieszanka tlenku manganu i sproszkowanego węgla, nasączona elektrolitem. Obie elektrody odseparowane są od siebie warstwą papieru, bądź elektrolityczną pastą. Całość zamknięta jest od góry stalowym wieczkiem. Elektrolitem w układzie Leclanché’go był chlorek amonu, zastąpiony później przez chlorek cynku.

Porowaty pręt grafitowy umieszczony wewnątrz konstrukcji ,,zbiera” napływające z obwodu elektrony i rozprowadza je po katodzie. Dzięki swej strukturze grafit pełni też rolę ,,ujścia” dla powstających w procesie elektrochemicznym gazów (wydostają się one następnie przez szczelinę na łączeniu wieczka z puszką). Niestety w dawnych konstrukcjach tą samą drogą do wnętrza baterii dostawało się powietrze, które wysuszało elektrolit, a po zetknięciu z cynkiem powodowało jego korozję. W efekcie baterię rozładowywała się leżąc po prostu na półce.

Współczesna konstrukcja wykorzystująca chlorek cynku jako elektrolit oraz nowoczesne, półprzepuszczalne uszczelki nieco zniwelowała problem korodowania cynku. Mimo to na rynku zaczęły pojawiać się inne, znacznie sprawniejsze ogniwa, które całkowicie wypchnęły konstrukcje cynkowo-węglowe z rynków rozwiniętych.

Wady i zalety

Zalety i wady ogniw cynkowych

ZaletyWady
Zdecydowanie najtańsze dostępne ogniwaNiska pojemność
Szeroki wybór kształtów i rozmiarówW niskich temperaturach bardzo szybko się rozładowują
Elektrolit chlorkowy zapewnia niezłą wydajność w bardziej wymagających aplikacjachIm bardziej rozładowane ogniwo, tym niższe jest jego napięcie znamionowe

Baterie magnezowe i aluminiowe

Ogólna charakterystyka

Magnez i aluminium to metale o wysokim potencjale standardowym i równoważniku elektrochemicznym (czym są obie te wartości wyjaśniałem w ,,Jak działa bateria?”). Ponadto są one łatwo dostępne i relatywnie tanie, przez co wydawały się być świetnymi zamiennikami dla królujących anod cynkowych.

Nie znalazłem zdjęcia baterii magnezowej, więc wrzucam sam sproszkowany magnez; źródło: http://sideraconsult.com

Ogniwo magnezowo-manganowe (Mg/MnO_2) okazało się przewyższać baterie cynkowo-węglowe w kilku kwestiach:

  • posiadało dwukrotnie wyższą pojemność
  • nie ,,gubiło” energii, leżąc na półce
  • było mniej wrażliwe na skokowe zmiany poboru energii
  • w trakcie rozładowywania utrzymywało stabilne napięcie

Nieużywane baterie cynkowe rozładowywały się z powodu korozji cynku. Ogniwo magnezowe ma natomiast tę właściwość, że na powierzchni anody powstaje cienka warstwa wodorotlenku magnezu, chroniąca materiał przed niepotrzebną korozją. Dzięki temu w pełni naładowana bateria nawet po 5 latach przechowywania traciła zaledwie 10%-20% pojemności.

Owa ochronna warstwa okazała się być niestety gwoździem do trumny świetnie zapowiadającej się technologii. Teoretyczne napięcie baterii magnezowej powinno wynosić około 2,8 V, jednak z powodu warstwy wodorotlenkowej potencjał ten spada do wartości  1,9 V – 2,0 V.

Niestety oprócz spadku potencjału występuje też efekt opóźnionego rozruchu. Zanim podłączona bateria uzyska swoje napięcie znamionowe musi upłynąć chwila. Czas ten zwykle nie przekracza 1 sekundy, chyba, że bateria pracuje w niskich temperaturach, bądź była wcześniej przechowywana w cieple. W takim wypadku będziemy zmuszeni poczekać nawet minutę.

Ostatnią dużą wadą ogniw magnezowych jest fakt, że wspomniany długi czas przechowywania dotyczy jedynie baterii nowych. Częściowo rozładowania i odłożona na półkę, po pewnym czasie umrze całkowicie.

A tak wygląda wykorzystywany w roli katody tlenek manganu (IV); źródło: indiamart.com

Próba załagodzenia wspomnianych dotąd niedoskonałości sprawiła, że ogniwo stało się droższe w produkcji od poczciwych ogniw cynkowo-węglowych. Dlatego oprócz zastosowań wojskowych (odbiorniki radiowe, osprzęt awaryjny) baterie magnezowe nie znalazły komercyjnego zastosowania.

Podobny los spotkał baterie aluminiowe, które oprócz wad poprzednika cechują się jeszcze większą redukcją napięcia znamionowego (jest ono zaledwie 0.1 V wyższe od baterii cynkowej). Próbowano zaradzić temu problemowi stosując specjalistyczne elektrolity, ale przywracało to jedynie efekt korozji znany z ogniw cynkowych, który dodatkowo był bardzo nierównomierny. Komercyjne baterie aluminiowe nigdy nie ujrzały światła dziennego i pozostały w sferze eksperymentalnej.

Wbrew beznadziejności sytuacji, aluminium odnalazło swoje miejsce w specjalistycznych bateriach aluminiowo-powietrznych. Ogniwa te mają rzecz jasna swoje ograniczenia (elektrolit musi być dodany tuż przed ich użyciem) jednak parametrami górują nad niemal wszystkimi znanymi ogniwami. Są przy tym znacznie tańsze, ze względu na szeroką dostępność surowca – glin jest trzecim co do ilości pierwiastkiem występującym w skorupie ziemskiej.

Budowa

Bateria magnezowa pod względem konstrukcji mocno przypomina cylindryczne ogniwo cynkowo-węglowe:

Ponownie katodą jest mieszanka tlenku manganu, proszku węglowego i elektrolitu (nadchloranu magnezu). Zanurzony w niej grafitowy pręt rozprowadza ładunki wewnątrz ogniwa. Anodą jest tym razem puszka magnezowa (z domieszką aluminium i cynku), a separatorem chłonny papier nasączony elektrolitem.

Podobnie jak w baterii cynkowej, tutaj również niezwykle ważna jest szczelność baterii (elektrolit to roztwór wodny i woda ta nie może wyschnąć), przy czym musi pozostać zachowana możliwość odprowadzania powstającego w wyniku reakcji wodoru. Nowoczesne ogniwa (czy to cynkowe, czy magnezowe) wyposażane są w uszczelkę wykonaną z tworzywa oraz pierścień ustalający. Pierścień odkształca się pod wpływem naporu wodoru, odsłaniając niewielki otwór wentylacyjny ukryty w plastikowej podkładce.

Wady i zalety

Zalety i wady ogniw magnezowych

ZaletyWady
Nowa, nieużywana bateria wolno traci pojemnośćOpóźnienie w uzyskaniu pełnego napięcia
Dwukrotnie wyższa pojemność względem ogniw Lechlanche'goWydzielanie się wodoru w trakcie pracy
Wyższe napięcie od ogniw cynkowo-węglowychNadmierne nagrzewanie się ogniwa w trakcie pracy
Stabilne napięcie, wysoka mocCzęściowo rozładowana szybko traci pojemność

Baterie alkaliczne

Baterie alkaliczne widział chyba każdy; źródło: rightbattery.com

Ogólna charakterystyka

W roku 1959 świat usłyszał o baterii alkalicznej. Okazała się ona tak ważnym krokiem w rozwoju ogniw, że jej prototyp umieszczono w 1999r w narodowym muzeum Stanów Zjednoczonych, obok pierwszej żarówki Edisona.

Prawdziwa potęga baterii alkalicznych uwidacznia się w zastosowaniach wymagających dużej mocy. Stąd dopiero znaczący rozwój elektroniki w latach 80tych sprawił, że cały rynek skłonił się w kierunku tego ogniwa. Jeszcze na początku XXI wieku była ona najszerzej stosowanym ogniwem w urządzeniach przenośnych: odtwarzaczach kaset i płyt CD, konsolach do gier, zdalnie sterowanych zabawkach czy nawet aparatach i kamerach cyfrowych.

Bateria alkaliczna, znana również jako ogniwo Zn/KOH/MnO_2, przewyższa cynkowo-węglową konkurencję pod wieloma względami:

  • Wyższa wartość energii na gram ogniwa
  • Większa pojemność i stabilność parametrów przy dowolnym obciążeniu
  • Większa wydajność przy pracy w niskich temperaturach
  • Niska rezystancja wewnętrzna
  • Dłuższy czas przechowywania

Cena przy tym jest tylko nieznacznie wyższa od ogniw cynkowo-węglowych i z kolei niższa od problematycznych ogniw magnezowych.

Budowa

Baterie alkaliczne zbudowane są jakby ,,na opak” względem dotychczas opisanych konstrukcji:

W bateriach cynkowych i magnezowych metalowa puszka pełniła rolę anody całej baterii. W ogniwach alkalicznych wykonana jest ona z miękkiej stali i służy tylko i wyłącznie za zbiornik dla pozostałych materiałów. Katoda umieszczona została na zewnętrznej stronie baterii. Jest ona mieszanką:

  • tlenku manganu (80% – 90%)
  • sproszkowanego węgla (2% – 10%)
  • wodorotlenku potasu (7% – 10%)
  • materiału wiążącego (0% – 1%)

Magicznym składnikiem jest tutaj wodorotlenek potasu, pełniący rolę elektrolitu. Wszystkie metale znajdujące się w pierwszej kolumnie układu okresowego nazywa się ,,alkalicznymi”. Jak dużo energii wyzwolić może zwykły kontakt czystego metalu alkalicznego z wodą zobaczyć można na tym przykładowym filmie. Wodorotlenki metali alkalicznych nie są może tak wybuchowe jak czyste metale, ale to wciąż bardzo aktywne chemicznie związki.

Pierwiastki z pierwszej kolumny (oprócz wodoru) zwane są metalami alkalicznymi

Anoda jest zawieszoną w specjalnym żelu mieszanką:

  • sproszkowanego cynku (60% – 70%)
  • wodnego roztworu wodorotlenku potasu (25% – 35%)
  • tlenku cynku (0% – 2%)
  • czynnika spowalniającego reakcję (0% – 0,1%)

Do zbierania uwolnionych w anodzie elektronów służy mosiężna szpilka, połączona z dnem baterii. Po umieszczeniu szpilki w roztworze anodowym, na jej powierzchni natychmiast osiada cienka warstwa cynku, co automatycznie poprawia przewodność elektryczną między anodą i szpilką, a dodatkowym efektem jest zmniejszona ilość wydzielanego podczas pracy gazu.

Wady i zalety

Zalety i wady ogniw alkalicznych

ZaletyWady
Dość dobra wydajność w skrajnych temperaturachZnaczny spadek napięcia wraz z rozładowywaniem się ogniwa
Niska cenaNiezbyt duża pojemność
Duża mocNiskie napięcie ogniwa
Wysoki stosunek energii do masyCzas przechowywania nie powala

Baterie rtęciowe

źródło: www.px625.com

Choć baterie alkaliczne ujawniono światu dopiero w 1959 roku, to sama technologia znana jest już od przeszło 100 lat. Pierwsze działające ogniwo alkaliczne opracowano w czasach II Wojny Światowej dla potrzeb militarnych. Alkaliczna bateria cynkowo-rtęciowa, bo o takim urządzeniu mowa, cechowała się niezwykle wysokim stosunkiem energii do wielkości ogniwa. Ponadto napięcie w czasie pracy było tak stabilne, że bateria ta służyła jako źródło napięcia referencyjnego dla sonarów czy urządzeń radiowych. Późniejsze zastąpienie cynku kadmem pozwoliło stworzyć ogniwo pracujące w ekstremalnych temperaturach i cechujące się znakomitym czasem przechowywania.

Ogniwa te miały jednak swoje problemy, przez które nie były szeroko stosowane. Przede wszystkim są one w produkcji jednymi z najdroższych ogniw, jakie przedstawiam w niniejszym artykule. Z kolei ich napięcie, choć niezwykle stabilne, jest też bardzo niskie i wynosi około 1.3 V. Ostatnim i najważniejszym aspektem jest fakt, że rtęć i kadm to pierwiastki niezwykle toksyczne zarówno dla środowiska jak i organizmów żywych. Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) wykreśliła je ze swoich standardów i były one sukcesywnie zakazywanie w wielu krajach. Spowodowało to, że owe baterie dziś już praktycznie nie istnieją.

Budowa

Wysoka cena ogniwa sprawiła, że najpopularniejszą konstrukcją okazały się tzw. baterie guzikowe (inaczej zegarkowe). Są to niezwykle proste konstrukcje małych rozmiarów, idealne do stosowania w aparatach słuchowych czy zegarkach.

Na dno metalowej puszki trafia mieszanka katodowa, składająca się głównie z tlenku rtęci, sporego dodatku grafitu oraz innych ,,ulepszaczy”, jak chociażby sproszkowane srebro czy tlenek manganu.

Rękaw wykonany z niklowanej stali dodatkowo zabezpiecza katodę, a tuż nad nim znajdują się dwa separatory. Jeden standardowy, półprzepuszczalny, umożliwiający przepływ jonów oraz drugi, nasączony po brzegi elektrolitem. W trakcie montażu baterii, mieszanka anodowa wtłaczana jest z dużą siłą do puszki, a jej nacisk na chłonny separator powoduje rozpłynięcie się elektrolitu po całej baterii.

Anodę baterii tworzy sproszkowany cynk rozprowadzony w specjalnym żelu. W konstrukcjach rtęciowo-kadmowych, gdzie cynk zastąpiono kadmowym proszkiem, używanie żelu nie jest konieczne.

W bateriach rtęciowych używa się dwóch rodzajów elektrolitu alkalicznego – opartego na wodorotlenku potasu lub wodorotlenku sodu. Wodorotlenek potasu pozwalał na prace w szerszym spektrum temperatury i lepiej sprawdzał się w aplikacjach o wyższej mocy.

Wady i zalety

Zalety i wady baterii rtęciowych

ZaletyWady
Wysoki stosunek energii do objętości (450 Wh/L)Niezwykle drogie
Długi czas przechowywania nawet w trudnych warunkachNiskie napięcie pracy (1,3 V dla rtęci, 0,9 V dla kadmu)
Odporna na uderzenia i wstrząsyTrudności z utylizacją, z powodu wysokiej toksyczności
Bardzo stabilne napięcie ogniwaDuża masa ogniw
Praca w ekstremalnych temperaturach
Możliwość szczelnego zamknięcia dzięki niewielkiej emisji gazów

Baterie srebrowo-cynkowe

Od czasu banicji rtęci i kadmu producenci pamiętają, by pochwalić się jej brakiem na każdym kroku;

Ogólna charakterystyka

Ogniwa srebrowo-cynkowe to przede wszystkim rekordowo wysoka pojemność przy niewielkiej masie – teoretycznie nawet 231 mAh na każdy gram. Do pozostałych zalet należą niezwykle stabilne napięcie w trakcie rozładowywania i dobry czas przechowywania. Po roku leżenia na półce w temperaturze pokojowej, bateria zachowuje co najmniej 95 % pojemności, a w temperaturze zera stopni Celsjusza około 70%. Powyższe zalety zdają się być łudząco podobne do zalet baterii rtęciowej. Czy jednak bateriom srebrowo-cynkowym udało się odnieść większy sukces?

Jak najbardziej! Zalety baterii pozwoliły jej zawładnąć dość szerokim spektrum rynku elektroniki – od zegarków i kalkulatorów, przez termometry, glukometry, aż po małe aparaty cyfrowe. Stało się tak dzięki niepowielaniu wad ,,rtęciówek”. Srebro nie jest toksyczne (a według wielu źródeł ma nawet właściwości antybakteryjne) i pozwala wyciągnąć z ogniwa wyższe napięcie niż rtęć czy kadm. Niestety jednej wady w tym wypadku nie udało się wyeliminować…

Srebro to pierwiastek o wielu zastosowaniach, znany szeroko jako metal szlachetny wykorzystywany do produkcji ozdób i biżuterii. Jest on ceniony, a przez to niezwykle drogi. Stąd jedynie małe, zegarkowe baterie srebrowe znalazły swoje miejsce na rynku. Oczywiście cena nie jest żadną przeszkodą w przypadku zastosowań militarnych. Wyższe napięcie ogniwa, większe bezpieczeństwo i zdecydowanie najwyższa gęstość energii sprawiły, że baterie te były szeroko wykorzystywane w załogowych programach lotów kosmicznych, budowie broni i wielu innych urządzeń wojskowych.

Budowa

Budowa miniaturowej baterii srebrowej przypomina tę znaną z ,,rtęciówek”. Podstawą jest tutaj puszka wykonana z niklowanej stali, na której dnie znajduje się katoda.

Katoda to mieszanka tlenku srebra i grafitu (1% – 5%). Czasami stosuje się również domieszki tlenku manganu czy teflonu. W celu separacji katody od reszty układu stosuje się celofanowy lub polietylenowy dysk. Umożliwia on przepływ jonów, nie reaguje z silnym elektrolitem i blokuje możliwość przeniknięcia srebra do anody.

Anoda to standardowa żelowa mieszanka sproszkowanego cynku. Im jest ona czystsza (im mniej innych metali) tym lepiej. Całość otoczona jest elastycznym, odpornym na silny elektrolit plastikiem, najczęściej nylonem.

Cały układ zostaje przed zamknięciem zalany alkalicznym elektrolitem. Jeśli istotna jest długość pracy baterii przy niskim zapotrzebowaniu na energię, używa się wodorotlenku sodu. Dla bardziej prądożernych aplikacji pracujących w trudniejszych warunkach stosuje się wodorotlenek potasu. Dzięki nowoczesnym konstrukcjom uszczelnień, problem wycieku został niemal całkowicie wyeliminowany.

Wady i zalety

Zalety i wady baterii srebrowo-cynkowych

ZaletyWady
Wysoka gęstość energiiCena, cena, cena...
Niewielki spadek napięcia przy rozładowywaniuNiezbyt długi czas przechowywania
Niezła wydajność w niskich temperaturach
Wysoka szczelność i odporność na wstrząsy i wibracje

Baterie cynkowo-powietrzne

Ogólna charakterystyka

Technologia cynkowo-powietrzna to prawdziwa rewolucja w świecie ogniw elektrycznych. W odróżnieniu od wszystkich innych systemów, bateria ta nie posiada zapasu katody. Jej ciągła praca możliwa jest dzięki uzupełnianiu ,,paliwa” ze środowiska zewnętrznego. W baterii znalazło się zatem sporo miejsca na anodę (cynk) i z tego względu baterie te cechują się najwyższym stosunkiem pojemności do rozmiaru ogniwa.

Bateria jest w stanie funkcjonować dzięki otworom umieszczonym na spodzie; źródło: avacom.cz

Paliwem pełniącym rolę katody jest tlen. W momencie produkcji dodaje się go jedynie tyle, by możliwe było rozpoczęcie reakcji. W trakcie pracy braki uzupełniane są dzięki specjalnym otworom znajdującym się na spodzie baterii.

Przechowywanie ogniw powietrznych jest niestety nieco problematyczne. Dopóki są one szczelnie zamknięte, a ich wloty powietrza fabrycznie zaklejone, bateria ta traci około 3%-4% pojemności rocznie. Po odpakowaniu baterii i odsłonięciu wlotów rozpoczyna się reakcja, której nie da się już powstrzymać. Stąd też ogniwa te mają sens w aplikacjach wymagających ciągłego poboru energii, jak np. aparaty słuchowe, a nie nadają się tam, gdzie urządzenie uruchamiane jest raz na jakiś czas (np. latarki).

Uzupełnianie paliwa z otoczenia wydaje się genialnym rozwiązaniem, ale wystąpiły tutaj pewne niespodziewane komplikacje. Okazało się, że cząsteczka tlenu, potrzebna do podtrzymania reakcji chemicznych jest niezwykle zbliżona rozmiarem do cząsteczki wody. W wilgotnym otoczeniu, do wnętrza ogniwa dostaje się wilgoć, która nie tylko zabiera przestrzeń, którą mógłby zająć tlen, ale jest też wchłaniana przez elektrolit. Zbyt duża ilość wody powoduje degradację elektrolitu, a towarzyszący temu wzrost ciśnienia może kompletnie zniszczyć ogniwo. Z kolei w środowisku suchym elektrolit całkowicie traci wodę i bateria rozładowuje się w mgnieniu oka. Owa wrażliwość na warunki zewnętrzne jest jedną z największych wad ogniw powietrznych.

Budowa

Podstawowym rozmiarem baterii cynkowo-powietrznych są miniaturowe ogniwa zegarkowe. Większe konstrukcje nie sprawdzały się głównie z powodu problemów z wilgocią oraz dostarczeniem dużej ilości powietrza.

Podstawą ogniwa jest stalowa puszka z wyciętymi od spodu otworami, przez które dostaje się niezbędne dla reakcji powietrze. Bezpośrednio nad otworami znajduje się membrana dyfuzyjna oraz film teflonowy. Rozprowadzają one wnikający gaz, blokują przenikanie większych cząstek i uniemożliwiają wydostanie się płynnego elektrolitu na zewnątrz ogniwa.

W obszarze katody umieszcza się metalową siatkę i zalewa ją mieszanką elektrolitu, grafitu i innych katalizatorów. Zadaniem katody jest dostarczenie do elektrolitu pozostałych składników reakcji: dostającego się do wnętrza tlenu oraz napływających z obwodu elektronów.

Nad katodą znajduje się warstwa separacyjna zbudowana z mikroporowatego filmu polimerowego oraz chłonnego materiału celulozowego. Wierzch baterii zalewany jest mieszanką cynku i elektrolitu. Oddając elektrony, cynk przeistacza się w większy objętościowo tlenek cynku. Owy przyrost należy uwzględnić i pozostawić nieco miejsca w trakcie napełniania baterii.

Elektrolit to znany z ogniw alkalicznych wodny roztwór wodorotlenku potasu o stężeniu około 30%. Utrzymanie odpowiedniej ilości wody jest kluczowe dla wydajności ogniwa, stąd skrajnie suche i wilgotne warunki otoczenia nie wpływają pozytywnie na jego kondycję.

Wady i zalety

Zalety i wady baterii cynkowo-powietrznych

ZaletyWady
Wysoka gęstość energiiWrażliwa na warunki zewnętrzne
Stabilne napięcieWysoka wilgotność praktycznie niszczy ogniwo
Bezpieczna i przyjazna środowiskuWymaga ręcznej aktywacji
Wysoka szczelność i odporność na wstrząsy i wibracjePo odbezpieczeniu następuje jej powolne rozładowanie

Baterie litowe

Źródło: energizer.eu

Ogólna charakterystyka

Cynk to metal, który jak dotąd świetnie sprawdzał się w roli anody, a eksperymenty z teoretycznie mocnym magnezem czy glinem nie przyniosły oczekiwanych efektów. Mimo to wciąż szukano czegoś co zadziwi świat, a pierwiastkiem, który miał tego dokonać był lit.

Jest on nie tylko najlżejszym metalem w układzie okresowym, ale cechuje się też wysokim stosunkiem energii do objętości, dobrą przewodnością i wysokim potencjałem. Wystarczy spojrzeć jak prezentuje się on na tle konkurencji:

Charakterystyka metali wykorzystywanych do produkcji anod

MateriałMasa atomowa [u]Potencjał standardowy [V]Gęstość [g/cm³]Temperatura topnienia [°C]Równoważnik elektrochemiczny [Ah/cm³]
Lit6,94-3,050,531802,1
Sód23,0-2,700,9797,81,1
Magnez24,3-2,401,746503,8
Glin26,9-1,702,706598,1
Wapń40,1-2,871,548512,1
Żelazo55,8-0,447,8515287,5
Cynk65,4-0,767,104195,8
Kadm112-0,408,653214,1
Ołów207-0,1311,33272,9

Cóż… Biorąc pod uwagę pojemność na centymetr sześcienny materiału [Ah/cm^3], lit przegrywa walkę z wieloma materiałami (nawet z cynkiem). Jeśli jednak uwzględnimy potencjał standardowy, którym bije na głowę wszystkich konkurentów, to okaże się, że pod względem dostępnej mocy plasuje się on w czołowej trójce, zaraz za magnezem i aluminium.

O tym dlaczego baterie magnezowe i aluminiowe nie działały jak oczekiwano, pisałem wcześniej. Teoretycznie najsilniejsi konkurenci litu odpadli, ale na horyzoncie był jeszcze jeden kandydat – wapń. Jego parametry były teoretycznie odrobinkę tylko niższe, atutem była zaś wysoka temperatura topnienia. Niestety wapń kompletnie oblał testy praktyczne. Był on trudny w obróbce i szybko ulegał pasywacji (wytwarzał na powierzchni powłokę ochronną powstrzymującą reakcję). Koszty usprawnień nie były warte zachodu, dlatego to lit pozostał ostatnią szansą na zdetronizowanie cynku w roli anody.

Od rozpoczęcia w latach 60tych prac nad ogniwem litowym, upłynęła cała dekada zanim udało się wprowadzić je do rozwiązań militarnych (wojsko było głównym źródłem finansowania badań w tamtych czasach). Szybko okazało się, że było na co czekać. Łącznie opracowano trzy klasy konstrukcji, każda do zupełnie innych zastosowań. Tym co łączy je wszystkie są nieprawdopodobnie wysokie parametry:

Najważniejsze cechy trzech rodzin ogniw litowych

Typ ogniwaMocKatodaNapięcie [V]PojemnośćTemperatura pracy [°C]Czas przechowywania
Ciekła katodaŚrednia lub wysoka (W)

SO₂
SOCl₂
SO₂Cl₂

3,0
3,6
3,9

0,5 do 10000-80 do 705 do 20 lat
Stała katodaNiska lub średnia (mW-W)

V₂O₅
MnO₂
CuS
FeS₂
FeS

3,3
3,0
1,7
1,5
1,5

0,03 do 1200-40 do 505 do 8 lat
Stały elektrolitBardzo niska (µW)

PbI₂/PbS/Pb
I₂

1,9
2,8

0,003 do 2,40 do 10010 do 25 lat

Wyszczególnione powyżej rodzaje katod to jedynie najpopularniejsze przykłady. Ilość wykorzystywanych materiałów jest w rzeczywistości ogromna i na ich temat powstało wiele książek i publikacji.

Rodzina baterii litowych to dość obszerny temat, dlatego w następnej części przedstawię jedynie przykładową budowę i cechy ogniw z ciekłą i stałą katodą. Rozwiązania ze stałym elektrolitem, to ogniwa stworzone na potrzeby urządzeń o niewielkiej mocy. Cechują się one najwyższym czasem przechowywania i pracy, i są ogniwami niezwykle wąskiej specjalizacji, wykorzystywanymi w biomedycynie, kosmonautyce oraz inżynierii pomiarowej. Nie ujrzymy ich na sklepowych półkach, dlatego pozwolę sobie je pominąć.

Budowa ogniw litowych z ciekłą katodą

źródło: eemb.com

Ogniwa z ciekłą katodą charakteryzują się wysoką gęstością energii i mocą. Ponadto mogą bez trudu pracować w bardzo szerokim spektrum temperatury i tracą niewiele pojemności podczas przechowywania. Cechy te wynikają częściowo z własności litu, ale też z tego tego, że ogniwa te zamknięte są w hermetycznych, wytrzymałych obudowach. W jakim celu?

Dwutlenek siarki (SO_2) w temperaturze pokojowej jest gazem. Z kolei katody SOCl_2 i SO_2Cl_2 przechodzą w stan gazowy odpowiednio przy 78,8^{\circ}C oraz 69,1^{\circ}C. Aby utrzymać katodę w stanie ciekłym, niezbędne jest wytworzenie wysokiego ciśnienia wewnątrz baterii. W trakcie pracy, gdy bateria się nagrzewa, ciśnienie to jeszcze bardziej wzrasta. Aby bateria nie eksplodowała, potrzebuje niezwykle zaawansowanej konstrukcji, jak i szeregu zabezpieczeń zapobiegających zwarciu i nadmiernemu przegrzaniu.

Pojemnik baterii wykonany jest ze stali nierdzewnej. Górna pokrywa jest szczelnie przyspawana do obudowy, pod nią zaś znajduje się złożony system uszczelnień typu szkło-metal, zapewniający odpowiednią ochronę przez korozją. Dodatkowym wyposażeniem zapewniającym bezpieczeństwo pracy jest bezpiecznik termiczny, zwarciowy i szereg wylotów bezpieczeństwa otwieranych przy wzroście ciśnienia ogniwa.

Główną treść ogniwa stanowią kolejno warstwy:

  • litowej folii
  • polipropylenowego separatora
  • mieszanki teflonu i porowatego proszku węglowego
  • drugiej warstwy separatora

Układ taki zwijany jest następnie w rulon i umieszczany w pojemniku. Przed zaspawaniem wieka, do środka wprowadza się płynny roztwór elektrolitu i aktywnego składnika katody.

Budowa ogniw ze stałą katodą

źródło: asianproducts.com

Jednym z pierwszych litowych ogniw ze stałą katodą było ogniwo litowo-manganowe. Co prawda ustępowało ono pod względem parametrów swoim ,,płynnym braciom”, ale było przy tym znacznie od nich tańsze i bezpieczniejsze (nie wymagało wysokiego ciśnienia do poprawnej pracy).

Ogniwo to sprawdzało się tak doskonale, że od tamtej pory stało się najpopularniejszym ogniwem litowym ze stałą katodą, produkowanym zazwyczaj w kształcie monety (lub inaczej pastylkowym).

Bateria składa się z litowej anody, mieszanki elektrolitycznej zawierającej sole litowe oraz katody ze specjalnie spreparowanego termicznie tlenku manganu.

Baterie Li/MnO_2 o większych gabarytach wyposażane są w wyloty bezpieczeństwa, gdyż pomimo braku fabrycznego ciśnienia, może ono zostać wytworzone z powodu zwarcia lub zbyt dużego poboru energii.

Wady i zalety

Zalety i wady baterii litowych

ZaletyWady
Górują nad innymi ogniwami niemal w każdym aspekcieWysoka cena
Ogromna moc wiąże się z ryzykiem pożaru lub eksplozji ogniwa

Podsumowanie

Czas porównać przedstawione w niniejszych artykule ogniwa. Nim jednak  to zrobię, podsumujmy najważniejsze cechy poznanych baterii i sprawdźmy podstawowy zakres zastosowania każdej z nich:

Główne cechy i zastosowanie poznanych baterii

OgniwoCharakterystyka ogólnaZastosowanie i produkcja
Cynkowo-węgloweProsta, niezwykle tania bateria; Dostępna w wielu kształtach i rozmiarach;Latarki, przenośne radia, zabawki; Produkcja tego typu ogniw z roku na rok maleje;
MagnezoweWysoka pojemność; Długi czas przechowywania;Dawniej zastosowania militarne; Dziś nieprodukowana;
Rtęciowo-cynkoweNajwyższa pojemność (względem objętości); Stabilne napięcie w trakcie rozładowywania; Długi czas przechowywania;Dawniej aparaty słuchowe, rozruszniki serca, czujniki, sprzęt wojskowy; Dziś nieprodukowana;
Rtęciowo-kadmoweDługi czas przechowywania; Wysoka wydajność w skrajnych temperaturach; Niska gęstość energii;Dawniej zastosowania specjalistyczne, wymagające pracy w trudnych warunkach; Dziś nieprodukowana;
AlkaliczneWysoka wydajność w niskiej temperaturze i przy wysokim poborze energii; Niski kosztNajpopularniejsza nieładowalna bateria; Szeroko używana w sprzęcie bezprzewodowym;
Srebrowo-cynkoweNajwyższa pojemność (względem masy); Stabilne napięcie w trakcie rozładowywania; Długi czas przechowywania; Wysoka cena;Aparaty słuchowe, fotograficzne, zegarki; Większe ogniwa znalazły zastosowanie militarne i naukowe (pociski rakietowe, sprzęt podwodny, wyposażenie wahadłowców i stacji kosmicznych;
Cynkowo-powietrzneNajwyższa gęstość energii; Niski koszt; Wrażliwa na warunki zewnętrzneAparaty słuchowe, implanty, elektronika militarna
Litowe (ciekła katoda)Wysoka gęstość energii; Długi czas przechowywania; Praca w szerokim zakresie temperatur;Szerokie zastosowanie w urządzeniach większej mocy (nowoczesna elektronika,u urządzenia automatyki przemysłowej, elektronarzędzia)
Litowe (stała katodaWysoka gęstość energii; Długi czas przechowywania; Przystępna cena;Mała elektronika (zegarki, kalkulatory, sprzęt fotograficzny); Stopniowo zastępują baterie alkaliczne w segmencie miniaturowych ogniw;

Udało mi się znaleźć świetną tabelę porównującą wszystkie przedstawione ogniwa. Pochodzi ona z czwartej edycji ,,Linden’s Handbook of Batteries” i wybrałem z niej najistotniejsze moim zdaniem parametry. Wartość równa 1 oznacza wynik najlepszy.

A zatem… Która bateria zwyciężyła?

Porównanie parametrów ogniw nieładowalnych

OgniwoNapięcieEnergia [Wh/kg]MocUtrata napięciaPraca w niskiej temp.Praca w wysokiej temp.Czas przechowywaniaCena
Cynkowo-węglowe54445681
Magnezowe33224343
Alkaliczne53234472
Rtęciowo-cynkowe53225345
Rtęciowo-kadmowe65223236
Srebrowo-cynkowe43224356
Cynkowo-powietrzne523255-3
Litowe (płynna katoda)11111235
Litowe (stała katoda)11122323

Nie jest żadnym zaskoczeniem, że w niemal każdej kategorii (prócz ceny) górują konstrukcje litowe. Obecnie duży nacisk kładzie się na obniżenie kosztów ich produkcji, gdyż jest to jedyny czynnik hamujący ekspansję ,,litowców” na tereny zajęte przez ogniwa alkaliczne.

Czy w przyszłości spodziewana jest jakaś rewolucja na rynku ogniw? Każdego roku słyszy się o nowych, rewolucyjnych rozwiązaniach (m. in. okiełznaniu baterii magnezowych, czy hybrydach baterii i kondensatorów). Trudno obecnie powiedzieć, czy wyniknie z tego coś obiecującego. Wiele rozwiązań w ogóle nie opuszcza fazy eksperymentalnej, inne z powodu kosztów nadają się tylko do zastosowań specjalistycznych i nie znajdują się w sferze zainteresowania branży konsumenckiej.

Jeśli natrafiłeś, bądź natrafiłaś na jakieś materiały dotyczące testów nowych, obiecujących ogniw, daj koniecznie znać w komentarzu! Tymczasem dzięki za przeczytanie tego niezwykle obszernego wpisu i do zobaczenia następnym razem!


Bibliografia

  1. Linden’s Handbook of Batteries – T. Reddy, MacGraw Hill, 2011
  2. International Standard IEC60086-2, wersja 10,
  3. Lithium Batteries, Science and Technology – C. Julien, A. Mauger, A. Vijh, K. Zaghib, Springer,

Czekasz na więcej?

Napisanie jednego artykułu zajmuje mi około dwa tygodnie. Chcę by moje treści były maksymalnie przydatne, rzetelne i poparte wiedzą naukową. Jeśli masz ochotę dołączyć do grona znawców Teorii Elektryki to zapraszam do zapisania się na newsletter lub do zajrzenia na facebook’a. W ten sposób nie umknie ci żaden nowy artykuł!

.

Ten post ma 2 komentarzy

    1. Artur Szulc

      Informacje o nowych super bateriach pojawiają się każdego roku. Zwykle ogniwa takie obarczone są jakimiś nierozwiązanymi problemami lub ograniczeniami, ale nie przeszkadza to twórcom tego typu newsów obwieszczać coraz to nowych rewolucji. Od badań i odkryć naukowych do zastosowań komercyjnych mogą minąć dziesiątki lat. Przykładem niech będą ogniwa litowo-jonowe, które opracowano (Jeśli dobrze pamiętam, choć mogę się mylić) już w latach 70tych, a do zwykłych śmiertelników dotarły dopiero pod sam koniec w XX wieku. Czasami w rozwoju pomagają technologie militarne i kosmiczne, które pchają rozwój ogniw bardzo mocno do przodu. Wciąż jednak wiele tego typu rozwiązań nigdy nie opuszcza laboratoriów wojskowych i stacji kosmicznych.

Dodaj komentarz