Če v zadnjem času gledate v svoj predal za komunalne storitve, ste morda opazili različne oblike, velikosti in vrste baterij, ki napajajo vaše elektronske naprave. Najprej so za vaše ure in majhne predmete okrogle celice gumbov, ki niso potrebne. Obstajajo tudi priljubljene cilindrične baterije AA in AAA za kalkulatorje, ure in oddaljene. Nato imate v prenosnikih in telefonih polnilne litij-ionske baterije. In ne pozabite na baterijo svinčene kisline v vašem avtomobilu.
Prve baterije so bile narejene v 1800 -ih in so bile precej preproste. Ena prvih demonstracij je bila vrsta kovinskih diskov, namočenih v slanici, za katere je italijanski znanstvenik Alessandro Volta ugotovil, da je ustvaril električni tok. Prva svinčena kislina je bila narejena iz nekaj kosov svinca v kozarcu žveplove kisline. Sodobne različice niso tako drugačne. Preprosto jih je izdelovati in vsebujejo različne dodatke za izboljšanje zmogljivosti.
V vseh primerih baterije delujejo na enak način: razlika v napetosti med dvema različnima elektrodama proizvede električni tok, ki ga je mogoče odpraviti za napajanje naprave. Popolnitvene baterije lahko nato ta tok obrnejo tako, da napolnijo varnostno kopijo. Znotraj baterije električni tok spremlja pretok ionov skozi tekočino, elektrolit.
Prehod vsakega elektrona v toku spremlja transport enega iona skozi elektrolit. Elektrode, ki lahko shranijo več ionov, vodijo do baterij, ki lahko zadržijo več naboja in zato trajajo dlje na enem samem naboju. Elektrode, ki so zasnovane za hitrejše shranjevanje ionov, vodijo do baterij, ki se lahko hitreje odvajajo, za uporabo z visoko močjo. Nazadnje, če se lahko večkrat napolnite in odvajajo, ne da bi se poslabšali, vodi v baterije z dolgimi življenjskimi časi.
Baterije s svinčeno kislino
Baterija s svinčeno kislino je bila prva polnilna baterija, ki jo je leta 1859 izumil Gaston Plante, ki je v kisli raztopini eksperimentiral s svinčenimi ploščami in ugotovil, da je mogoče pretok in shranjevanje električnega toka obrniti.
Baterija s svinčeno kislino mora biti dovolj velika, da lahko zagotovi dovolj polnjenja za začetek avtomobila. Prav tako mora biti uporabna v hladnem podnebju in zadnjem več letih. Ker je elektrolit jedko kislino, mora biti zunanje ohišje težko zaščititi ljudi in avtomobilske dele pred morebitno škodo. Če veste vse to, je smiselno, da so sodobne baterije s svinčeno kislino blokirane in težke.
Alkalne baterije
Po drugi strani si gospodinjske naprave, kot so kalkulatorji in digitalne lestvice, lahko privoščijo uporabo manjših baterij, ker ne potrebujejo veliko polnjenja. To so predvsem alkalne baterije, ki niso rekreabilne, ki se uporabljajo že desetletja. Standardizirane velikosti celic so AAAA, AAA, AA, C in D, pa tudi celice gumba in kovancev ter številne druge. Velikosti so povezane s tem, koliko naboja shranijo - večja je baterija, bolj drži - in velikosti naprav, ki jih napajajo.
Včasih boste morda našli alkalne baterije, ki se prodajajo v pravokotnih oblikah, kot so običajne 9- voltne baterije, vendar odprite zunanje ohišje in ugotovili boste, da so v notranjosti preprosto nekaj cilindričnih celic. Cilindrične baterije so že tako dolgo in tako široko uporabljale, da podjetjem preprosto nima smisla izdelovati kaj drugega - za spremembo njihovih proizvodnih zmogljivosti bi potrebovali naložbo, česar raje ne bi storili.
Litij-ionske baterije
Nikelj-kadmijeve baterije so bile prve široko uporabljene polnilne baterije za gospodinjsko elektroniko in so bile priljubljene do konca 20. stoletja. Vendar so imeli svoje pasti. Kadmij je zelo strupen, baterije pa so trpele zaradi "učinka spomina", kar je zmanjšalo življenjsko dobo.
Več desetletij so litij preučevali za potencialno uporabo v polnilnih baterijah zaradi svojih edinstvenih lastnosti kot lahke kovine, ki hrani veliko energije. Sony je najprej komercializiral litij-ionsko baterijo leta 1991.
Podjetje je izdelalo valjaste celice, ker so bile te najlažje za izdelavo. V devetdesetih letih prejšnjega stoletja je Sony izdeloval veliko videokamerov in kasetov, zato je imel veliko opreme za proizvodnjo z rollom. Naravno je bilo preoblikovati to opremo za izdelavo zvitkov baterijskih elektrod, ki jih izdelujejo z vlivanjem filmov na liste iz bakra ali aluminija in jih nato valjajo v valj "žele".
Debelo ohišje teh valjastih celic je mehansko močno, za dodajanje še ene plasti varnosti pa imajo tlačni ventil. Zelo hitro so te zgodnje litij-ionske celice prevzele prenosni trg elektronike, zlasti za prenosnike in mobilne telefone, saj so shranile več energije in trajale dlje kot baterije, ki jih je mogoče polniti z nikmijem.
Dejavniki, ki oblikujejo baterije
Baterije so narejene v določenih velikostih in oblikah zaradi stroškov in proizvodnje, v drugih primerih pa zaradi zapuščenih proizvodnih procesov. Vloga ima tudi povpraševanje na trgu.
Na primer, električna vozila se niso vzletela, dokler Tesla ni začela izdelovati avtomobilov z uporabo cilindričnih litij-ionskih baterijskih celic, ne pa pravokotne torbice ali prizmatičnih celic, ki jih uporabljajo drugi proizvajalci EV. Torbice in prizmatične celice se lahko tesno pakirajo skupaj, a ker so cilindrične celice že množično proizvajale za prenosno elektroniko, je Tesla v letu 2010 lahko naredil z nižjimi stroški EV.
Kaj bodo v prihodnosti trajale baterije in velikosti, ni odvisno samo od tega, koliko energije shranjujejo, ampak tudi od tržne ekonomije - kako enostavno je narediti vsako vrsto celice, koliko stane, da jih naredijo in za kaj se uporabljajo. In ti dejavniki so mešanica inovacij in zgodovine.