Znate li na kojem principu rade baterije koje imate u svojim prijenosnicima i pametnim telefonima? Znate li što su to suhe, a što mokre ćelije i kako se dijele baterije? Ako ne znate, nema veze – mi vam donosimo odgovore na ta i neka druga pitanja.
Zamislite svijet u kojem svi uređaji na struju moraju biti spojeni žicom na električnu mrežu – ručne lampe, mobiteli, računala, daljinski upravljači – to bi bilo krajnje nepraktično. Žice bi bile po svuda, a pitanje je da li bi uopće električne mreže mogle napojiti sve te uređaje. No, zahvaljujući baterijama mi danas imamo veliki broj uređaja koji su neovisni o struji kao takvoj i možemo ih koristiti svuda, u bilo koje vrijeme i na bilo kojem mjestu.Prije nego se pozabavimo baterijama, ponovimo samo princip na kojem rade današnje baterije. Baterije su skup elektrokemijskih ćelija (tj. jedna ili više njih) koje kemijsku energiju pretvaraju u električnu. Taj proces je prvi otkrio Alessandro Volta još krajem 18.-og stoljeća, kada je napravio jednostavnu bateriju od komada metala i papira potopljenog u slanu vodu. Od tada, pa do današnjih dana, znanstvenici pokušavaju usavršiti baterije i učiniti ih što jačima, odnosno povećati kapacitet i izdržljivost istih.
Danas baterije imate svuda oko sebe – osvrnite se po sobi. Imate ih u ručnom satu, u budilicama koje vas bude ujutro, u telefonima, kalkulatorima, MP3 playerima itd. Iako ih uzimamo zdravo za gotovo, ne bismo trebali jer nije sve ni tako jednostavno kao što se čini.
Autor: Boris Plavljanić
Povijest baterija
Vratimo se ipak malo u prošlost. Nakon Voltinog otkrića, baterijama su se bavili mnogi poznati znanstvenici. Vjerojatno ste čuli za Luigi Glavanija (poznat je po svojem radu „Animal electricity“ u kojem je napravio strujni krug od dijelova žabe – točnije žabljih nogu), Michaela Faradaya, Johna Daniella i druge. Svi oni su pokušavali proizvesti električnu energiju, s time da su neki bili više, a neki manje uspješni. Ipak, možda najznačajnije otkriće je bilo ono Johna Daniella – on je svojevremeno napravio „Danijelovu ćeliju“ (engl. Daniell cell). Ona se sastojala od staklene posude u koju su bila uronjena dva komada metala, te dvije kiseline. Na dnu posude je bila bakrena pločica uronjena u bakrov sulfat i ona je predstavljala pozitivni dio baterije (+). Na to se dolio cinkov sulfat (koji se nije previše miješao sa bakrovim sulfatom zbog manje gustoće), te se u nju postavila cinkova pločica koja je bila negativni dio baterije (-). Tada ste na pozitivni i negativni dio spojili uređaj koji ste htjeli pokrenuti. Iako se ovo čini nepraktično, tako su se spajala zvona na ulaznim vratima kuća, pa čak i prvi telefoni. Danas je tehnologija napredovala i mnogo je sofisticiranija, no da nije bilo ovih prvih (ne)uspješnih pokušaja, pitanje je kakve bismo mi baterije danas imali i koliko bi kasnili u razvoju istih.
Anatomija baterija i princip rada današnjih baterija
Kako izgleda baterija, vjerojatno svi znate – najčešće je valjkastog oblika i ima dva terminala, odnosno kraja. Jedan je označen sa plusom (+), a drugi sa minusom (-). Postoje i neki drugi oblici baterija koje svakodnevno viđate u mobitelima i prijenosnicima. Radi se o povećim baterijama koje zapravo rade na istom principu samo nemaju izraženu pozitivnu i negativnu stranu. Kada spojite bateriju u vaš uređaj (koje tada postaje tijelo koje troši bateriju) vi zapravo omogućujete negativno nabijenim ionima (anionima) da migriraju kroz tijelo u drugi dio baterije gdje se nalaze pozitivno nabijeni ioni (kationi) – i kroz ne tako složeni kemijski postupak, oslobađa se električna energija koja pokreće uređaj. Radi se o jednostavnim redoks reakcijama koje ste učili još u srednjoj školi.
Podjela baterija
Baterije možemo podijeliti na mnogo načina – kao primarne (ne možemo ih puniti) i sekundarne (možemo ih puniti i prazniti određeni broj puta), ali i prema kemijskom sastavu koji se nalazi u njima, tehnologiji izrade, punjenju ćelija…
Primarne baterije
Jednostavno rečeno, primarne baterije su one baterije koje jednom iskoristite i više ih ne možete napuniti. Radi se o baterijama koje kada potroše svoje resurse (ako ih tako možemo nazvati) postaju neupotrebljive i više nije moguće povratiti njihov kapacitet. To se događa iz razloga što određena kemijska reakcija nije dvosmjerna, odnosno nije ju moguće vratiti u prvobitno stanje. Ako ju pokušate povratiti tj. puniti, najčešće će se dogoditi da baterija eksplodira ili se tekućina koja se nalazi u njima izlije van. Pošto je to opasno po zdravlje, svaki proizvođač baterija će vam jasno istaknuti da to ne radite i da nije preporučljivo.
Najčešći tipovi ovih baterija su cink karbonske baterije (engl. zink-carbon), te alkalne (engl. alkaline). U pravilu ove baterije bolje rade od punjivih (sekundarnih), no vijek im je ograničen, kao što smo već rekli.
Cink karbonske baterije – su najjednostavnije baterije i najjeftinije baterije. Možete ih prepoznati po oznakama AAA, AA, C i D, koje označavaju „suhe“ ćelije. Anoda je cink, katoda magnezijev dioksid, a elektroliti amonijakov ili cinkov klorid.
Kada smo rekli „suhe ćelije“, mislili smo na tehnologiju izrade ćelija unutar baterija. Radi se o tome da u bateriji nema tekućine, nego su ćelije pune paste koja dozvoljava kretanje ionima, no neće se proliti ili nešto slično. Ovakve baterije najčešće imaju 1.5 volti.
Alkalne baterije – su najčešće korištene baterije i vrlo su slične maloprije spomenutim cink karbonskim. Unutra su također „suhe“ ćelije, no postoji varijanta punjivih alkalnih baterija. Naravno, ni one nisu vječne, no puno su bolja „investicija“ od cinkovih. Za istu voltažu daju više snage i duži vijek trajanja.
Sekundarne baterije
Sa porastom broja prenosivih uređaja poput prijenosnika, pametnih telefona ili MP3 playera, raste i potražnja za dobrim baterijama koje nećemo morati mijenjati svakih par dana. I tu dolazimo do mnogo zanimljivijih baterija od primarnih – do punjivih (sekundarnih) baterija. Princip rada im je zapravo isti – kroz kemijsku reakciju u kojoj sudjeluju anode, katode i elektroliti, stvara se električna energija, no razlika je u kemijskom sastavu ćelija koje se nalaze u baterijama. Ovdje imamo slučaj da je kemijska reakcija povratna. Kada se baterija „potroši“ (odnosno kada negativno nabijeni ioni prijeđu na pozitivnu stranu baterije), treba ju napuniti. Spajanjem sekundarne baterije na vanjski izvor električne energije (op.a. struju), događa se suprotni proces – negativno nabijeni ioni se vraćaju na negativnu stranu baterije i ona se opet može upotrijebiti.
Najčešće korištene sekundarne baterije na tržištu su: llithium-ion (LiOn) – pogledajte bateriju svoga mobitela ili laptopa, nickel-metal hydride (NiMH), te nickel-cadmium (NiCd). Kada govorimo o sekundarnim baterijama, moramo reći da nisu sve jednake i nije svejedno koju koristite. NiCd (nikal kadmijeve) su bile prve sekundarne baterije koje su se koristile svuda u svijetu, ali su imale jedan mali problem – „memory effect“. Memorijski efekt znači da ste ih svaki puta morali napuniti i isprazniti do kraja, jer bi u protivnome brzo izgubile kapacitet. To je i dovelo do situacije da ljudi sve manje koriste ove baterije i prijeđu na hibridne (NiMH). One su imale nešto veći kapacitet i nisu „patile“ od memorijskog efekta, no životni vijek im je bio kratak – mogli ste ih napuniti i isprazniti možda 100-injak puta i gotovo. Preskupe su bile da biste ih mijenjali 2 do 3 puta godišnje, ako govorimo o mobitelima i laptopima. Pogledajte samo kako se mobiteli danas brzo prazne. Praktički možete u jednom danu dva puta napuniti i isprazniti bateriju. Nažalost, ekonomska računica je bila vrlo jasna. I na kraju dolaze najpopularnije LiOn baterije koje se i dan danas koriste i pokazale su se kao najbolja varijanta. Možda im je kapacitet nešto manji, no tehnologija izrade je jednostavnija nego kod spomenutih, manje su, lakše i imaju ciklus od 1000 punjenja i pražnjenja, o čemu će u tekstu biti još riječi.
Ćelije kod sekundarnih baterija
Rekli smo da se kod primarnih baterija najčešće koriste suhe ćelije koje u sebi sadrže pastu što ih čini prilično sigurnima kako se tekućina iz njih ne bi prolila i kako ne bi došlo do bilo kakvih (zdravstvenih) incidenata. Kod sekundarnih baterija se koriste ostale dvije vrste ćelija – wet cells (mokre ili tekuće ćelije) i molten salt (tekuće ćelije sa malo drugačijim sastavom).
Wet cells, odnosno mokre ćelije se još nazivaju i potopljene ćelije (engl. flooded cells) iz razloga što je cijela ćelija puna tekućine i ona prekriva sve dijelove koji se nalaze u ćeliji. Unutar te tekućine se nalaze tekući elektroliti koji omogućuju brže i lakše kretanje iona sa pozitivne na negativnu stranu i obrnuto. To je i jedan od razloga zašto vi za par sati možete napuniti sekundarnu bateriju, dok se primarne moraju puniti 2 do 3 puta duže da bi se dobio jednaki efekt (naravno, govorimo o punjivim primarnim baterijama).
Molten salt ćelije su ćelije kod kojih se za elektrolite koristi rastopljena sol. Baterije s ovakvim ćelijama nisu baš česte i nećete ih naći u uređajima koje svakodnevno koristite. Jedan od razloga je što ove baterije bolje rade na većim temperaturama, pa se zato i koriste kod uređaja koji se jako zagrijavaju.
Kapacitet baterija
Svaka baterija ima kapacitet i po tome se najčešće i razlikuju. Dobro, i po materijalima koji se koriste za izradu, no najčešće ćete čuti da se u kontekstu baterija za laptope i pametne telefone spominje kapacitet. Kapacitet je količina električne energije koju baterija može spremiti u svoje ćelije. Naravno, što je veća ćelija, najčešće je i veći kapacitet, iako to nije pravilo. Taj kapacitet se s vremenom gubi, odnosno materijali unutar baterije se troše, kemijske reakcije su sve slabije i kapacitet opada. U početku je to vrlo slabo, no sa daljnjim korištenjem to postoje izraženije. Kapacitet možemo zadržati tako da bateriju koju ne koristimo držimo na hladnome, iako ne prehladnome. Sve ispod 5-6 stupnjeva je štetno za bateriju.
Kapacitet baterije se izražava u Ah – amper satima. Iako to nije direktan pokazatelj koliko je energije pohranjeno u bateriji jednostavnije je za svakodnevnu upotrebu jer nam govori koliko će dugo baterija trajati. Ako baterija ima kapacitet 1 Ah ona može davati struju od jednog ampera kroz vremenski period od jednog sata. U stvarnosti kapacitet ovisi o struji koju crpimo iz baterije i to najčešće nije fiksno nego varira.
Kod spomenutih NiCd i NiMH baterija (to se posebno odnosi na malo starije uređaje koji nemaju u sebi LiOn baterije) punjenje može biti pomalo komplicirano. Točnije, morate biti jako pažljivi kod punjenja i paziti da ne prepunite bateriju jer to vodi do smanjenja kapaciteta. Da biste to spriječili jednostavno nakon punjenja odvojite kabel za napajanje od računala. Isto tako te baterije treba s vremena na vrijeme isprazniti do kraja pa napuniti i to ponoviti najmanje 2 puta kako bi se ona „obnovila“. Naravno, ne u punom smislu te riječi jer to nije moguće – na ovaj način samo minimizirate gubitak kapaciteta. S druge strane, LiOn baterije imaju sofisticiranije mehanizme za punjenje, odnosno punjače koji ne mogu prepuniti bateriju (automatski se isključe nakon što je baterija napunjena).
Životni vijek sekundarnih baterija
Već smo rekli da sekundarne baterije koristite u prijenosnicima i pametnim telefonima. I kroz neko vrijeme korištenja istih, zasigurno ste se našli u situaciji da vam baterija na prijenosniku ne traje niti jedan sat, a baterija u pametnom telefonu svega 4-5 sati. To su jasni znakovi da je baterija „potrošena“, odnosno da joj je kapacitet jako smanjen i da je došlo vrijeme za novu bateriju. Taj životni vijek baterije je limitiran određenim kemijskim reakcijama koje se događaju između materijala od kojih je baterija napravljena i elektrolita koji sudjeluju u pretvaranju kemijske energije u električnu – to su tzv. „sporedne reakcije u bateriji“.
Radi se o tome da unutar baterije materijali korodiraju i propadaju, a određeni aktivni materijali polako postaju neaktivni. Uzevši u obzir da ti aktivni materijali prilikom punjenja i pražnjenja baterije mijenjaju kemijski sastav unutar ćelija, oni su glavni razlog zašto vam baterije postaju sve kraće i zašto je životni vijek istih sve kraći. Opet napominjemo, postoje određene razlike kada se radi o punjivim baterijama za prijenosnike i mobitele, i onih malih valjkastih baterija koje koristite recimo u daljinskom upravljaču. Svježe napunjena NiCd primarna baterija unutar prva 24 sata izgubi možda 2-5 posto svoga kapaciteta, dok je brzina pražnjenja svega 10% mjesečno, a kod laptopa se brzina pražnjenja mjeri u satima, pa čak i minutama.
Također, kod punjivih baterija se propadanje može vidjeti sa svakim ciklusom punjenja i pražnjenja. Možda se ne vidi ovako „golim okom“, no ako koristite softver za praćenje rada baterije, vidjeti ćete da svakim punjenjem kapacitet opada i da se sve brže baterija puni (uslijed sve manjeg kapaciteta). Nisko kapacitetne baterije (1700-2000 mAh) možete napuniti i isprazniti oko 1000 puta. Ako uzmemo da godina ima malo više od 360 dana to je 720 punjenja i pražnjenja, što će reći da te iste baterije mogu izdržati oko godinu i pol dana. Odnosno, u tom periodu su dobre za korištenje.
Sve one baterije koje imaju preko 2500 mAh, imaju ciklus od 500 punjenja i pražnjenja što bi značilo da je baterija dobra za korištenje manje od godinu dana ili tu negdje. Danas mali broj uređaja ima tako velike baterije, pa je još rano govoriti o tome, no očito je da će takvi uređaji morati češće mijenjati baterije od ostalih.
Da biste produžili vijek baterije, odnosno da bi ona ispunila svoju zadaću u potpunosti, morate se držati nekoliko jednostavnih pravila. Kao prvo, baterije se ne pune jedan sat ili 15 minuta prije nego što izađete na kavu s prijateljima. Iako ni sporo punjenje preko noći nije idealno, mnogo je bolje od stalnog nadopunjavanja mobitela ili laptopa. Vjerojatno će na mnogim mobitelima (pogotovo onim malo starijim) pisati da je baterija puna nakon sat vremena punjenja – ali nije. Te baterije isto pate od sindroma zvanog memorijski efekt i bolje je imati prazan mobitel nego nadopunjeni.
Neki idu čak toliko daleko da govore da bateriju treba svakih mjesec do dva staviti u frižider na 24 sata kako bi se usporilo propadanje baterije. Navodno ova praksa može produžiti vijek baterije do 5% što i nije zanemarivo, no opet nije ni puno. Poznati proizvođač baterija Duracell se protivi tome i savjetuje da to ipak ne radite.
Moguća šteta
Iako se baterije čine bezopasnima, nije tako. Postoje mnoge opasnosti – od curenja tekućine koja se nalazi u njima, pa sve do eksplozija. Na Internetu postoje mnoge snimke u kojima možete vidjeti prepunjene baterije kako eksplodiraju. Što je još gore, baterija za laptop eksplodira nekoliko puta. Svaka ćelija je zasebna jedinica (iako su povezane u seriju) i ako uzmete u obzir da prosječna baterija za laptop ima 6 ćelija, možete u teoriji očekivati 6 manjih eksplozija. U praksi je to 3-4. To je i jedan od razloga zašto laptop ne biste trebali držati u krilu i zašto se on ne bi trebao jako zagrijavati. To se može dogoditi i ako pokušate nadopuniti primarne baterije koje su u pravilu nepunjive ili ako napravite kratki spoj. Kratki spoj se događa kada žicom povežete pozitivni i negativni dio baterije. Postoje dva scenarija – jedan je eksplozija, a drugi je samo instant pražnjenje baterije. Naravno, nemojte to ni pokušavati raditi jer se možete ozlijediti.
