Constructorul „bateriilor” (așa cum sunt denumite în mod curent, chiar dacă greșit), folosite până în ziua de azi, este inginerul francez Georges Leclanché, care și-a realizat pila (așa cum este denumirea ei corectă) în 1866. Această pilă nu trebuie însă confundată cu acumulatorii, care sunt disponibili cu aceleași dimensiuni, dar al căror principiu de funcționare este diferit (diferența dintre baterii și acumulatori este explicată spre sfârșitul articolului). Întrucât nevoia e mama născocirilor, pila originală Leclanché cu tensiunea nominală de aproximativ 1,5V, a fost utilizată pentru alimentarea telegrafelor, soneriilor și primelor aparate telefonice. În prezent, după mai bine de 150 de ani, aceste baterii sunt folosite pentru alimentarea micilor echipamente electrice, precum jucării, radiouri, aparate de redare a muzicii, lanterne și altele. În afara acestora, în produsele de larg consum tot mai adesea sunt folosite pile mai scumpe, fabricate pe bază de litiu.
Ca urmare a diversității echipamentelor alimentate, pilele trebuie să răspundă unor diverse cerințe în ceea ce privește capacitatea, tensiunea și curentul de scurtcircuit. Acest lucru se reflectă în dimensiunile și forma acestora, precum și în construcția și tipul materialului folosit pentru fabricarea electrozilor și electrolitului. Prin ce se deosebesc diferitele „baterii” și cum să le folosim corect?
PILE CU ZINC-CARBON
Inconvenientul pilei originale Leclanché a constat în electrolitul lichid folosit în aceasta. Pila era compusă dintr-un vas în care erau așezate un electrod de zinc și un recipient din material poros. În acest recipient era presărat dioxid de mangan umed, sub formă de pulbere, amestecat cu pulbere de grafit, iar în acesta era așezată o bară de grafit. Vasul exterior era umplut cu soluție concentrată de clorură de amoniu. Dioxidul de mangan avea funcția de depolarizator al electrodului de grafit, absorbind hidrogenul degajat. Altfel, gazul care s-ar fi strâns pe suprafața baghetei de carbon ar fi izolat-o de restul electrolitului și ar fi întrerupt fluxul de curent.
Confortul utilizării acestei surse de alimentare a crescut cu mult datorită construirii versiunii uscate a pilei. Acest lucru a fost realizat în Germania, în 1887, de către Carl Gassner. Acesta a înlocuit soluția lichidă de clorură de amoniu cu un amestec dintre această sare și o pulbere umedă de gips (în prezent, se folosește, de obicei, un clei pe bază de amidon sau silicagel).
În cariera sa de peste 150 de ani, pila Leclanché (denumită, în mod curent, baterie cu zinc) a trecut prin multe modificări, care au urmărit creșterea duratei de viață și a capacității acesteia. Una din metodele de prelungire a duratei de funcționare constă în adăugarea de clorură de zinc în pasta care umple vasul - aceste pile poartă denumirea de Heavy Duty și sunt destinate alimentării echipamentelor mai pretențioase. Trebuie avut în vedere faptul că clorura de amoniu este o sare rezultată dintre o bază slabă și un acid tare, prin urmare hidrolizează și produce o reacție acidă a soluției care umple pila. În acest mediu, zincul se dizolvă în permanență, chiar și atunci când din circuit nu obținem energie electrică. Pentru combaterea acestui fenomen, sunt folosite diferite tehnici de minimizare a uzurii metalului atunci când bateria este inactivă. Una dintre acestea este amalgamarea, adică acoperirea cu mercur a suprafeței interioare a vasului din zinc. Mercurul formează o soluție cu zincul, iar amalgamatul de zinc practic nu reacționează cu acizii, dar își păstrează toate proprietățile electrochimice ale metalului pur. Din considerente de protecție a mediului, această metodă de creștere a duratei de viață a pilelor este folosită tot mai rar (pe pilele fără mercur se află marcaje precum „0% mercury” sau „mercury free”). Bateriile actuale de zinc-carbon au o densitate teoretică de energie cuprinsă între 40 și 70 Wh/kg. Intervalul temperaturii de lucru este de -10...+50°C. Bateriile de zinc-carbon au o durată de viață de aproximativ 2 ani.
„Scurgerea bateriilor”
Atunci când folosiți baterii de zinc-carbon, nu uitați ca, după consumarea acestora, să nu le lăsați în aparat, pentru că este posibilă scurgerea electrolitului. Acesta este coroziv și poate cauza deteriorarea echipamentului.
BATERII ALCALINE DE LA ENERGIZER
Un punct de cotitură în domeniul bateriilor de unică folosință a fost reprezentat de anul 1955 și construcția pilei alcaline. Aceasta a fost realizată de inginerul canadian Lewis Frederick Urry, angajat al firmei care poartă azi denumirea de Energizer. În pila acestuia nu mai există catodul de grafit, nici vasul de zinc. Cei doi electrozi sunt sub formă de paste umede, separate una de alta. Amestecul de dioxid de mangan și grafit joacă rolul catodului, iar anodul este realizat din pulbere de zinc amestecat cu hidroxid de potasiu. Ambele amestecuri sunt completate cu substanțe de îngroșare. Din metal sunt fabricate doar terminalele polilor.
Pilele alcaline sunt caracterizate de performanțe cu mult mai bune, în primul rând o capacitate de curent mai mare și o durată de viață mai îndelungată. De asemenea, au o densitate de energie mai mare, care, teoretic, este cuprinsă între 80 și 100 Wh/kg și un interval mai larg al temperaturii de lucru, de -30…+70°C. Durata de viață a bateriilor de acest tip este de 5 până la 7 ani. În indicativele pilelor alcaline este folosită litera L, de exemplu pila obișnuită R6 (denumită în mod curent și Mignon) în versiune alcalină este marcată cu simbolul LR6.
BATERII CU LITIU-MANGAN
Bateriile cu litiu, de exemplu bateriile cu litiu AA, sunt, în realitate, baterii cu litiu-mangan. Tensiunea nominală a acestora este de 3 V. Sunt rezistente la fluctuațiile de temperatură și au o mare densitate de energie – de până la 270 Wh/kg. Astfel, bateriile cu litiu AA înmagazinează aproape de trei ori mai multă energie decât bateriile alcaline AA echivalente. Acestea sunt folosite, de exemplu, în aparate electrocasnice - ceasuri, camere video, aparate foto, calculatoare. Pot stoca energia și mai mult, până la 10 ani.
În gama de baterii cu litiu sunt incluse multe subtipuri, care au în comun utilizarea litiului sau a compușilor acestuia ca anod. Dintre compușii folosiți ca material al catodului putem menționa: oxidul de mangan, clorura de tionil, oxidul de sulf, iodul, cromatul de argint și altele. Bateriile de acest tip pot produce o tensiune cuprinsă între 1,5V și 3,7V – în funcție de compușii chimici folosiți.
Bateriile cu litiu-mangan au o durată de funcționare deosebit de mare, de aceea sunt folosite adeseori pentru alimentarea echipamentelor care necesită o perioadă de utilizare îndelungată, precum stimulatoare cardiace, proteze auditive, ceasuri de mână, dispozitive de menținere a memoriei de configurare în echipamentele electronice etc. Printre avantajele neîndoielnice se numără și rezistența la descărcarea cu un curent mare și intervalul larg al temperaturii de lucru (chiar de la -40 până la +65°C).
În trecut, bateriile de acest tip erau foarte scumpe, fiind astfel rar folosite. La ora actuală, în afara echipamentelor care necesită o perioadă de utilizare îndelungată, sunt folosite chiar și în unele jucării. Unul dintre cele mai populare tipuri de baterii cu litiu îl reprezintă așa-numitele baterii buton, denumite și „baterii plate de 3 V”. Își datorează numele aspectului asemănător unui buton și dimensiunilor mici. În comerț sunt disponibile și alte tipuri din aceste baterii, dar din cauza prețului destul de mare față de cele alcaline, sunt folosite mai rar.
Având în vedere durata lungă de viață, bateriile realizate pe baza pilelor de acest tip au adesea terminale sudate, destinate lipirii acestora pe placă. În practică, dacă folosim o asemenea baterie pentru alimentarea memoriilor statice CMOS RAM sau a circuitelor de ceas RTC, ne putem bucura de o perioadă de exploatare de câțiva ani, fără a fi necesară înlocuirea.
BATERII CU ARGINT
Tensiunea nominală a pilelor cu argint este de 1,55 V. Catodul din această pilă este realizat din oxid de argint, iar anodul din zinc. Rolul electrolitului revine unei soluții de hidroxid de potasiu. Bateriile cu argint au fost inventate la sfârșitul secolului al XIX-lea, însă producția de masă a început abia în anii ’60 din secolul al XX-lea. Foarte adesea sunt denumite baterii cu oxid de argint sau cu argint-zinc.
Bateriile cu argint au o tensiune de ieșire stabilă și o caracteristică plată de descărcare. Tensiunea la bornele pilei scade foarte repede după descărcare. Densitatea teoretică de energie este de 130…150 Wh/kg. Bateriile cu argint sunt destinate utilizării în echipamentele sensibile la variațiile tensiunii de alimentare, care necesită o stabilitate a acesteia, de exemplu în aparatele de măsură.
Bateriile cu argint au o durată de viață de circa 2 ani. Un inconvenient important al acestora este faptul că zincul este supus coroziunii în electrolitul bazic, ceea ce conduce la degradarea bateriei. Trebuie așadar să avem în vedere faptul că, cel mai adesea după aproximativ 5 ani încep să curgă, prezentând astfel un risc pentru mediu.
SCURT REZUMAT AL CELOR MAI IMPORTANTE INFORMAȚII DESPRE BATERII
În cadrul acestui scurt articol au fost descrise doar cele mai populare tipuri de baterii cu zinc-carbon, alcaline și cu litiu-mangan. 150 de ani de dezvoltare a tehnologiilor și de experimentare cu diverse substanțe sunt dificil de sintetizat. De aceea, nu au fost menționate bateriile cu mercur, care sunt astăzi aproape scoase din uz, fiind interzise din cauza conținutului de substanțe periculoase pentru mediu, nici altele, mai puțin răspândite în aplicațiile de zi cu zi, precum bateriile zinc-aer sau cu argint.
Comentarios