Skąd w baterii prąd?

Z całą pewnością znajdzie się grono osób, dla których działanie baterii nie jest oczywiste. Wiadomym jest, że wszelkiego rodzaju baterie, akumulatory, ogniwa, gromadzą energię dzięki określonym procesom chemicznym. Lecz co tak naprawdę się za tym kryje? Jakie procesy zachodzą w akumulatorze, że po naładowaniu jest w stanie utrzymać nagromadzoną energię przez długie lata? Jak duża energia kryje się w pakiecie ogniw litowo-jonowych, że jest on w stanie zasilić pojazd elektryczny ważący ponad 1.5 tony i pozwala na 300 km zasięgu?

Żeby odpowiedzieć na powyższe pytania, na początku konieczne będzie poznanie budowy baterii. Zapraszam zatem na krótką lekcję chemii.

Budowa baterii
Na budowę baterii/akumulatora składa się kilka elementów, mamy katodę która jest nośnikiem ładunków dodatnich, anodę, czyli nośnik ładunków ujemnych, oddzielający je separator oraz elektrolit, który stanowi nośnik poruszających się między katoda a anodą jonów. Na tym etapie warto nadmienić, że każdy typ akumulatora wykorzystuje inne substancje chemiczne dla poszczególnych elementów. Jak wspomnieliśmy, anoda ma znak ujemny, katoda dodatni, taka sytuacja ma miejsce przy w pełni naładowanym akumulatorze. Dzieje się tak, ponieważ anoda zawiera dużą liczbę elektronów (ładunki ujemne), a katoda zbyt mała ich liczbę. Elektrony nie są swobodnie przekazywane między anodą a katoda ze względu na obecność separatora. Ma on działanie podobne do bariery, która pozwala na przepływ elektronów jedynie w przypadku rozładowywania bądź ładowania akumulatora. Proces rozładowywania wymusza przemieszczanie się elektronów z anody na katodę. W momencie całkowitego ‘wyzerowania’ elektronów z anody, akumulator uznaje się za doszczętnie rozładowany. Proces ładowania jest odwrotny - przyłożenie odpowiedniego ładunku do zacisków akumulatora wymusza ruch elektronów ku anodzie i tym samym ponownie nagromadza energię. Akumulatory maja swoją żywotność, zdefiniowaną w specyfikacji czasowo i w ilości cykli, niektóre są bardziej żywotne inne mniej. Na żywotność tą wpływ ma rodzaj i jakość zastosowanej chemii, a w zasadzie jej wytrzymałość na zużycie i uszkodzenie.

Główne rodzaje akumulatorów i baterii
Najbardziej popularnymi ogólnodostępnymi typami akumulatorów i baterii są:

  • baterie alkaiczne – potoczne ‘paluszki’ dostępne w różnych rozmiarach i kształtach, są to ogniwa pierwotne, ich ładowanie jest niemożliwe,
  • baterie cynkowo-węglowe – pierwsza wersja baterii alkaicznych, ładowanie również jest niemożliwe,
  • akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion) – jedne z popularniejszych akumulatorów, stosowane w starszych laptopach, samochodach elektrycznych,
  • akumulatory litowo-polimerowe (Li-Po) – stosowane w telefonach komórkowych, tabletach, nowszych laptopach,
  • akumulatory niklowo-kadmowe (NI-Cd) – stanowią zastępstwo nieładowalnych ‘paluszków’, posiadają efekt pamięci, który przy niepoprawnym użytkowaniu objawia się znacznym spadkiem pojemności,
  • akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe (Ni-Mh) – stanowią zastępstwo nieładowalnych „paluszków”, posiadają długi zakres życia i nie maja efektu pamięci,
  • akumulatory kwasowo-ołowiowe – spotykane jako akumulator rozruchowy w samochodach z silnikami spalinowymi, posiada kilka rodzai (żelowy, AGM, MF),
  • akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy (Li-Fe-Po4) – znacznie żywotniejszy od standardowych akumulatorów kwasowo-ołowiowych, stosowany w instalacjach fotowoltaicznych, jako zasilanie kamperów/łodzi.

Definicja pojemności
Miarą pojemności akumulatorów oraz baterii są: amperogodzina [Ah], jest to iloczyn natężenia wypływającego prądu z baterii i czasu w jakim to robi, oraz watogodzina [Wh], czyli określenie wypływającej mocy w jednostce czasu. Przykładowo w samochodzie elektrycznym, mającym zasięg 300 km, znajdziemy pakiet akumulatorów o pojemności 85kWh (85000Wh). Żeby zobrazować jak duża energia jest zgromadzona w takiej baterii, posłużymy się średnimi wartościami zużycia energii elektrycznej w domu jednorodzinnym. Szacunki GUS pokazują, że najczęściej podawana wartością zużycia rocznego dla gospodarstwa domowego jest przedział 1500Kwh-2000kWh. Dzieląc to przez ilość miesięcy w roku, otrzymujemy miesięczne zużycie na poziomie minimum 125kWh. Widzimy zatem, że pełne naładowanie akumulatora które umożliwi przejechanie 300 km zużywa niemal 70% miesięcznego zapotrzebowania na energię dla jednorodzinnego gospodarstwa domowego.

To tyle jeśli chodzi o podstawowe informacje na temat działania i typów baterii, w kolejnych artykułach poznacie więcej szczegółów dotyczących elektroniki, przetwarzania i przechowywania energii. Zapraszamy do lektury i komentowania.

Dodaj komentarz

Filtered HTML

  • Adresy internetowe są automatycznie zamieniane w odnośniki, które można kliknąć.
  • Dozwolone znaczniki HTML: <a> <em> <strong> <cite> <blockquote> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd>
  • Znaki końca linii i akapitu dodawane są automatycznie.

Plain text

  • Znaczniki HTML niedozwolone.
  • Adresy internetowe są automatycznie zamieniane w odnośniki, które można kliknąć.
  • Znaki końca linii i akapitu dodawane są automatycznie.