Μπαταρία

Η χημεία στο εσωτερικό μιας μπαταρίας

Μια μπαταρία μπορεί να είναι ένα στοιχείο ή πολλά στοιχεία. Κάθε κυψέλη έχει άνοδο, κάθοδο και ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης είναι το κύριο υλικό στο εσωτερικό της μπαταρίας. Συχνά είναι ένας τύπος οξέος και μπορεί να είναι επικίνδυνο να τον αγγίξετε. Η άνοδος αντιδρά με τον ηλεκτρολύτη για την παραγωγή ηλεκτρονίων (αυτό είναι το αρνητικό ή - άκρο). Η κάθοδος αντιδρά με τον ηλεκτρολύτη και παίρνει ηλεκτρόνια (αυτό είναι το θετικό ή + άκρο). Ένα ηλεκτρικό ρεύμα συμβαίνει όταν ένα καλώδιο συνδέει την άνοδο με την κάθοδο και τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από το ένα άκρο στο άλλο. (Αλλά μια μπαταρία μπορεί να καταστραφεί μόνο με ένα καλώδιο που συνδέει τα δύο άκρα, οπότε χρειάζεται και ένα φορτίο μεταξύ των δύο άκρων. Το φορτίο είναι κάτι που επιβραδύνει τα ηλεκτρόνια και συνήθως κάνει κάτι χρήσιμο, όπως μια λάμπα σε έναν φακό ή τα ηλεκτρονικά σε μια αριθμομηχανή).

Ο ηλεκτρολύτης μπορεί να είναι υγρός ή στερεός. Μια μπαταρία ονομάζεται μπαταρία υγρών ή ξηρών στοιχείων, ανάλογα με τον τύπο του ηλεκτρολύτη.

Οι χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν σε μια μπαταρία είναι εξώθερμες αντιδράσεις. Αυτός ο τύπος αντίδρασης παράγει θερμότητα. Για παράδειγμα, αν αφήσετε τον φορητό υπολογιστή σας ανοιχτό για μεγάλο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια αγγίξετε την μπαταρία, θα είναι ζεστή ή καυτή.

Μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία επαναφορτίζεται αντιστρέφοντας τη χημική αντίδραση που λαμβάνει χώρα στο εσωτερικό της μπαταρίας. Όμως, μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία μπορεί να επαναφορτιστεί μόνο ένα συγκεκριμένο αριθμό φορών (διάρκεια ζωής επαναφόρτισης). Ακόμη και οι ενσωματωμένες μπαταρίες, δεν μπορούν να επαναφορτιστούν για πάντα. Επιπλέον, κάθε φορά που μια μπαταρία επαναφορτίζεται, η ικανότητά της να κρατάει τη φόρτιση μειώνεται λίγο. Οι μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες δεν πρέπει να φορτίζονται, καθώς μπορεί να διαρρεύσουν διάφορες βλαβερές ουσίες, όπως υδροξείδιο του καλίου.

Οι κυψέλες μπορούν να συνδεθούν για να δημιουργήσουν μια μεγαλύτερη μπαταρία. Η σύνδεση του θετικού ενός στοιχείου με το αρνητικό του επόμενου στοιχείου ονομάζεται σύνδεση σε σειρά. Η τάση κάθε μπαταρίας αθροίζεται. Δύο μπαταρίες των έξι βολτ συνδεδεμένες σε σειρά θα κάνουν 12 βολτ.

Η σύνδεση του θετικού του ενός στοιχείου με το θετικό του άλλου και του αρνητικού με το αρνητικό ονομάζεται παράλληλη σύνδεση. Η τάση παραμένει η ίδια, αλλά το ρεύμα προστίθεται μαζί. Η τάση είναι η πίεση που ωθεί τα ηλεκτρόνια μέσω των καλωδίων, μετριέται σε βολτ. Το ρεύμα είναι το πόσα ηλεκτρόνια μπορούν να περάσουν ταυτόχρονα, μετριέται σε αμπέρ. Ο συνδυασμός ρεύματος και τάσης είναι η ισχύς (Watt = Volt x Ampere) της μπαταρίας.

Μπαταρίες συνδεδεμένες παράλληλα - παρουσιάζονται σε σχηματικό διάγραμμα και σχέδιο

Μεγέθη μπαταριών

Οι μπαταρίες κυκλοφορούν σε πολλά διαφορετικά σχήματα, μεγέθη και τάσεις.

Τα στοιχεία AA, AAA, C και D, συμπεριλαμβανομένων των αλκαλικών μπαταριών, έχουν τυποποιημένα μεγέθη και σχήματα και έχουν περίπου 1,5 βολτ. Η τάση ενός στοιχείου εξαρτάται από τις χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται. Το ηλεκτρικό φορτίο που μπορεί να παρέχει εξαρτάται από το πόσο μεγάλο είναι το στοιχείο, καθώς και από τις χημικές ουσίες. Το φορτίο που παρέχει μια μπαταρία μετριέται συνήθως σε αμπεροώρες. Δεδομένου ότι η τάση παραμένει η ίδια, περισσότερο φορτίο σημαίνει ότι ένα μεγαλύτερο στοιχείο μπορεί να παρέχει περισσότερα αμπέρ ή να λειτουργεί για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.

Ιστορία

Η πρώτη μπαταρία εφευρέθηκε το 1800 από τον Αλεσάντρο Βόλτα. Σήμερα, η μπαταρία του ονομάζεται σωρός του Βόλτα.

Στις μικρές, σύγχρονες μπαταρίες, το υγρό ακινητοποιείται σε ένα είδος πάστας και όλα τοποθετούνται σε μια σφραγισμένη θήκη. Λόγω αυτής της θήκης, τίποτα δεν μπορεί να χυθεί έξω από την μπαταρία. Οι μεγαλύτερες μπαταρίες, όπως οι μπαταρίες αυτοκινήτων, εξακολουθούν να έχουν υγρό στο εσωτερικό τους και δεν είναι σφραγισμένες. Ένα είδος μπαταρίας που χρησιμοποιεί λιωμένα άλατα ως ηλεκτρολύτη εφευρέθηκε κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου.

Τύποι μπαταριών

• Ξηρές κυψέλες, κυψέλες που δεν περιέχουν υγρό (ή περιέχουν ακινητοποιημένο υγρό, όπως πάστα ή γέλη) ως ηλεκτρολύτη
• Πρωτογενές κύτταρο, κύτταρα που δεν μπορούν να επαναφορτιστούν
• Αλκαλική μπαταρία, "αλκαλική", όχι επαναφορτιζόμενη
• Μπαταρία υδραργύρου, μη επαναφορτιζόμενη
• Μπαταρία Leclanche, "super heavy duty", όχι επαναφορτιζόμενη
• Μπαταρία λιθίου, μη επαναφορτιζόμενη, "coin cell"
• Μπαταρία οξειδίου του αργύρου, μη επαναφορτιζόμενη, μπαταρία ρολογιού
• Voltaic σωρό, Allesandro Voltas πρώτη μπαταρία
• Δευτερογενές κύτταρο, κύτταρα που μπορούν να επαναφορτιστούν
• Σφραγισμένη μπαταρία μολύβδου
• Μπαταρία ιόντων λιθίου, επαναφορτιζόμενη, που χρησιμοποιείται σε κινητά τηλέφωνα και φορητούς υπολογιστές
• Μπαταρία νικελίου καδμίου, "NiCd", επαναφορτιζόμενη
• Μπαταρία νικελίου-υδριδίου μετάλλων, "NiMH", επαναφορτιζόμενη
• Μπαταρία νικελίου-ψευδαργύρου

• Υγρά κύτταρα, κύτταρα που περιέχουν υγρό ως ηλεκτρολύτη
• Μπαταρία μολύβδου, επαναφορτιζόμενη, μπαταρία αυτοκινήτου
• Μπαταρία νικελίου-σιδήρου, επαναφορτιζόμενη, μπαταρία Edison
• Κυψέλη καυσίμου, που επαναφορτίζεται με την προσθήκη καυσίμου

Άνω όψη της μπαταρίας αυτοκινήτου

Εναλλακτικές λύσεις για μπαταρίες

Οι κυψέλες καυσίμου και οι ηλιακές κυψέλες δεν είναι μπαταρίες επειδή δεν αποθηκεύουν την ενέργεια στο εσωτερικό τους.

Ένας πυκνωτής δεν είναι μπαταρία, επειδή δεν αποθηκεύει την ενέργεια μιας χημικής αντίδρασης. Ένας πυκνωτής μπορεί να αποθηκεύσει ηλεκτρική ενέργεια και να δημιουργήσει ηλεκτρική ενέργεια πολύ πιο γρήγορα από μια μπαταρία, αλλά συνήθως κοστίζει πολύ για να γίνει τόσο μεγάλος όσο μπορεί να είναι μια μπαταρία. Οι επιστήμονες και οι χημικοί μηχανικοί εργάζονται για την κατασκευή καλύτερων πυκνωτών και μπαταριών για τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

Οι μικρές ηλεκτρικές γεννήτριες που λειτουργούν με το χέρι και το πόδι μπορούν να παρέχουν ισχύ σε μικρές ηλεκτρικές συσκευές. Τα ραδιόφωνα με ρολόι, οι φακοί με ρολόι και παρόμοιες συσκευές διαθέτουν επίσης ένα κουρδιστό ελατήριο για την αποθήκευση μηχανικής ενέργειας.