Baterie

Czym są baterie

Flickr / @ Toshiyuki IMAI / CC BY SA 2.0Baterie to urządzenia, które zamieniają energię chemiczną w elektryczną. Pierwsze ogniwa skonstruował w 1796 włoski naukowiec Alessandro Volta. Ułożył stosik z płytek srebrnych i cynowych, przedzielając je kawałkami papieru nasączonymi roztworem soli. Skupił się na fakcie, że ładunek elektryczny potrafi przemieszczać się pomiędzy różnymi substancjami.

Istnieją różne schematy budowy baterii, jednak ich podstawowa zasada działania i konstrukcji jest stała.

    • bateria zawsze posiada dwie elektrody: pierwszą, o nazwie anoda (przesyła ona ładunki ujemne czyli elektrony) oraz drugą katodę. Kiedy katoda i anoda zostają połączone w jeden obwód, elektrony są w ruchu – tak powstanie prąd
    • bateria, to jedno lub więcej ogniw galwanicznych (czyli układu dwóch wymienionych wyżej elektrod), które w wyniku reakcji elektrochemicznej zmienia energię chemiczną w energię elektryczną – dzięki temu baterie są źródłem prądu stałego i znajdują różnorodne zastosowanie
    • dwa bieguny baterii oznacza się plusem (+) i minusem (-)
    • w przypadku typowych baterii cylindrycznych jak R6/AA czy R14/C używanych np. do zasilania pilota do telewizora czy zabawek biegunami są końce baterii
    • w akumulatorach samochodowych biegunami są ciężkie ołowiane klemy
    • najczęściej używanymi bateriami są tzw. baterie „paluszki”, czyli baterie AA i cieńsze AAA
    • w przypadku ogniw pierwotnych najpopularniejszymi są baterie cynkowo-węglowe i alkaliczne. Dotyczy to jednak tylko baterii cylindrycznych oznaczanych literą R. Obie technologie dostarczają napięcie 1,5V

Szczegółowa zasada działania baterii

Dziś najczęściej występującymi bateriami jednorazowymi są alkaliczne, których elektrody wykonane są z cynku i tlenku manganu. W starych typach baterii cynkowo – węglowych, jedna z elektrod wykonana jest z węgla.

Żeby otrzymać elektryczność musimy wytworzyć przepływ elektronów. Aby to osiągnąć umieszczamy separator pomiędzy dwoma elementami.

      • jeżeli połączymy np. cynk i dwutlenek manganu z zewnątrz, umieszczając pomiędzy nimi jakiekolwiek urządzenie na prąd, wytworzony przepływ elektronów sprawi, że zostanie ono zasilone przez elektrony
      • przepływ ładunku elektronów daje w rezultacie prąd elektryczny
      • elektrony powracają do baterii przez elektrodę dodatnią (MnO2), wchodzą w reakcję redukujące z materiałem aktywnym, doprowadzając do przepływu prądu poprzez separator do elektrody ujemnej w postaci jonów
      • reakcje utleniające, zachodzące na elektrodzie ujemnej, pomiędzy aktywnym materiałem i jonami, wytwarzają w rezultacie nadmiar elektronów, które mogą być oddane do zewnętrznego obiegu
      • żeby uspokoić przepływ jonów, dodajemy do baterii elektrolit

Istotnym faktem jest to, że system jest zamknięty. Na każdy elektron wyprodukowany w procesie utleniania na anodzie, przypada jeden elektron zużyty w procesie redukcji na katodzie. W wyniku zachodzącego procesu aktywny materiał ubożeje, reakcje zaczynają zachodzić coraz wolniej aż do momentu kiedy bateria nie jest w stanie produkować elektronów. W tym momencie bateria jest rozładowana.

Baterie zawsze produkują prąd stały (elektrony przemieszczają się w tym samym kierunku) w przeciwieństwie do sieci energetycznej, która dostarcza nam prąd zmienny. Oznacza to, że używając baterii musimy zwracać uwagę na ich biegunowość.

 

Budowa baterii

W zależności od zastosowanego materiału, z którego wykonane są elektrody, składu elektrolitu, kształtu i budowy oraz przeznaczenia możemy wyróżnić wiele typów ogniw. Najpopularniejszy podział ogniw galwanicznych to podział na pierwotne (baterie, nieodnawialne) oraz wtórne (akumulatory, odwracalne).

Ogniwa pierwotne (baterie jednorazowe)

Typy bateriiCzęsto zbudowane są z tych samych materiałów co akumulatory (ogniwa wtórne), jednak ich struktura oraz proces produkcji jest kompletnie odmienny. Oznacza to, że mogą być używane tylko raz, bo ich składniki powodują, że baterie nie mogą być ponownie naładowane po wyczerpaniu. Dlatego nie należy ładować baterii pierwotnych!!!

Wśród rodzajów baterii pierwotnych dominują

      • baterie Al-Mn (alkaliczno-manganowe)
      • baterie Zn-Cb (cynkowo-węglowe)
      • baterie Zn-O2 (cynkowo-powietrzne)
      • baterie Li (litowe)
      • baterie AgO (srebrowe)
      • baterie HgO (rtęciowe)

Ogniwa wtórne (akumulatory)

Działanie ogniw wtórnych jest oparte na tej samej zasadzie co baterii jednorazowych, ale z tą różnicą, że procesy chemiczne zachodzące wewnątrz akumulatorów mogą zostać odwrócone poprzez ładowanie. Dzięki temu akumulatory odzyskują pierwotne właściwości. Akumulatory w szybszym czasie mogą wyzwolić swoją pojemność, umożliwiając szybszą pracę urządzeń. Baterie alkaliczne zaś, w urządzeniach niskoprądowych, powinny działać dłużej. Dlatego też ważny jest dobór odpowiedniego ogniwa do urządzenia. W zależności od użytych kompozytów baterie takie mają żywotność pomiędzy 100 i 1000 cykli.

Typowe baterie ładowalne

      • baterie Ni-Cd (niklowo-kadmowe)
      • baterie Ni-MH (niklowo-wodorkowe)
      • baterie Li-ion (litowo-jonowe)
      • ładowalne baterie Al-Mn (alkalicznomanganowe)

Produkowane baterie mają formy: cylindryczne, blokowe i guzikowe oraz oznaczenia wielkościowe AAA, AA, A, C, D, G.

Warunki przechowywania baterii

Ważna jest trwałość baterii oznaczająca ich zdolność do zachowania pierwotnej pojemności i innych parametrów przez jak najdłuższy czas.

Trwałość baterii pierwotnych 

      • alkaliczne 7 lat
      • cynkowo-węglowe 2-3 lata
      • litowe 10 lat
      • cynkowo-powietrzne 3 lata
      • mikro-alkaliczne 2 lata
      • srebrowe 2 lata

Trwałość baterii odnawialnych 

Przy bateriach odnawialnych należy zwrócić uwagę, że nie powinny być przechowywane nieładowane przez dłuższy czas (ponad 1 rok) w przeciwnym razie ich właściwości ulegną pogorszeniu.

      • Ni-Cd – poza każdorazowym rozładowaniem przed ponownym ładowaniem, nie wymagają innych zabiegów
      • Ni-MH  – nie wymagają żadnych zabiegów, choć również powinny być rozładowywane w przypadku ładowania (nie tak często jak Ni-Cd). Nieużywane, naładowane akumulatory tych typów rozładowują się w przeciągu 8 do 12 tygodni.
      • Litowo-Jonowe-  nie powinny być przechowywane naładowane dłużej niż 6 miesięcy. W przeciwnym razie bateria może ulec całkowitemu uszkodzeniu.

Działanie baterii W czasie pracy ogniwa galwanicznego na elektrodzie dodatniej (katodzie) zachodzi proces redukcji, a na elektrodzie ujemnej (anodzie) proces utleniania. Po podłączeniu go do urządzenia, w obwodzie elektrycznym – od anody do katody – przepływają elektrony. Natomiast w elektrolicie, ładunek elektryczny przenoszony jest za pośrednictwem jonów dodatnich i ujemnych.

Podstawowe zasady użytkowania baterii

      • czytaj instrukcję obsługi urządzeń zasilanych za pomocą baterii lub akumulatorów
      • dobieraj baterie i akumulatory odpowiednie dla danego sprzętu
      • instaluj ogniwo zgodnie z oznaczeniami biegunów (+) i (-)
      • przechowuj baterie i akumulatory zgodnie z zaleceniami producenta, w temperaturze pokojowej w suchym miejscu
      • nie trzymaj baterii i akumulatorów z przedmiotami metalowymi, bo może to doprowadzić do ich rozładowania
      • nie ładuj baterii pierwotnych (jednorazowych), bo możesz wywołać eksplozję
      • nie wrzucaj ogniw do ognia

Baterie są odpadem niebezpiecznym

Baterie są odpadem niebezpiecznym zawierającym wybrane metale ciężkie które są toksyczne dla naszego organizmu. W przypadku przedostanie się do niego wywołują choroby i dysfunkcje różnych układów. Z tego powodu należy zadbać o odpowiednie zabezpieczenie i utylizacje zużytych baterii.

Uwaga! Nie wyrzucaj zużytych baterii i akumulatorów do kosza na śmieci! 

      • kupuj z głową! Przed zakupem sprawdź, czy nie posiadasz już baterii w domu
      • korzystaj z akumulatorów. Akumulatory mogą być wielokrotnie ładowane, więc ograniczasz w ten sposób ilość baterii
      • pamiętaj o bateriach ukrytych w różnych przedmiotach
      • oddzielaj zużyte baterie i akumulatory od pozostałych odpadów
      • regularnie odnoś zużyte baterie i akumulatory do specjalnych pojemników

W bateriach zachodzą skomplikowane procesy chemiczne, w których udział biorą toksyczne pierwiastki. Szczególne zagrożenie dla środowiska i zdrowia człowieka, stwarzają zawarte w bateriach metale ciężkie (m.in.: ołów, kadm, rtęć) oraz kwasy bądź zasady tworzące elektrolit, które mają właściwości żrące i korozyjne.

      • ołów – powoduje choroby u organizmów żywych, m.in.: uszkodzenia mózgu, choroby nerek i przewodu pokarmowego, neuropatię i nadciśnienie tętnicze
      • rtęć – bywa przyczyną masowych skażeń środowiska, zatruwa organizmy żywe; u ludzi powoduje m.in.: uszkodzenia układu nerwowego, nerek, niewydolność oddechową, deformację kości
      • kadm – upośledza procesy zachodzące w organiźmie, powodując, m.in.: uszkodzenia nerek, wątroby, osteoporozę, anemię i zmiany nowotworowe
      • nikiel – uszkadza błony śluzowe, powoduje zmiany w szpiku kostnym oraz może przyczynić się do rozwoju komórek nowotworowych
      • lit – powoduje obrzęk płuc, uszkadza układ nerwowy, pokarmowy, sercowo-naczyniowy, a także (ze względu na właściwości żrące) skórę człowieka

Recykling baterii

Zużyte baterie i akumulatory stanowią źródło cennych surowców wtórnych. Ich właściwa zbiórka pozwala nie tylko unieszkodliwić toksyczne metale ciężkie, ale także odzyskać część surowców oraz zaoszczędzić energię potrzebną do wydobycia pierwiastków, niezbędnych między innymi do produkcji nowych baterii.

Proces przetwarzania i recyklingu zużytych baterii i akumulatorów

      • zbiórka zużytych baterii i akumulatorów
      • sortowanie baterii w zależności od rodzaju
      • przetwarzanie poszczególnych rodzajów na odpowiednie frakcje materiałowe i recykling wyodrębnionych metali w instalacjach

W zależności od rodzaju ogniwa najczęściej stosuje się jedną z trzech metod odzysku

    • hydrometalurgiczna – polega na odzysku materiałów w wyniku rozpuszczenia odpadów w kwasach bądź zasadach. Proces ten polega kolejno na: rozpuszczeniu odpowiednich frakcji odpadów, oczyszczeniu i zatężeniu otrzymanego roztworu oraz wydzieleniu czystych związków chemicznych. Zaletą tej metody jest to, że powstaje niewielka ilość odpadów wtórnych.
    • mechaniczna – polega na rozdrobnieniu odpadów w specjalnych młynach, a następnie na ich rozdzieleniu na frakcje np. z wykorzystaniem elektromagnesów czy specjalnych sit do elementów plastikowych, papierowych i innych.
    • termiczna – polega na wytopieniu metali w specjalnych piecach i odzysku niektórych materiałów.

Brak możliwości komentowania