Bateria este cea mai răspândită sursă de alimentare portabilă. Fără baterii nu am putea alimenta telefoanele mobile, laptopurile, lanternele, aparatele de radio portabile și multe alte dispozitive pe care le utilizăm zilnic. Viața fără baterii ar fi o călătorie cu două secole în urmă, atunci când, singurele obiecte portabile care conțineau componente în mișcare erau ceasurile mecanice. Ce este bateria? Bateria este un dispozitiv care convertește energia chimică stocată în moleculele din compoziția sa în energie electrică. Aceasta produce doar curent continuu, iar cantitatea de energie electrică pe care o poate genera este limitată.

Inainte de a prezenta o scurtă istorie a descoperirilor care au condus la apariția bateriilor moderne, voi încerca să vă descriu, pe scurt, ce este bateria și cum funcționează aceasta. Bateria este un dispozitiv care convertește energia chimică stocată în moleculele din compoziția sa în energie electrică. Aceasta produce doar curent continuu (DC), iar cantitatea de energie electrică pe care o poate genera este limitată (reacțiile chimice necesare pentru a genera energia electrică nu se vor desfășura la nesfârșit).

Principiul lor de funcționare este următorul: fiecare baterie este compusă din unul sau mai multe elemente, denumite celule electrochimice. Oricare dintre aceste celule are trei componente esențiale: doi electrozi (terminalele electrice – polul negativ și cel pozitiv; acestea se numesc terminale deoarece se află la extremitatea bateriei și sunt bornele de conectare la circuitul electric) și o substanță chimică, denumită electrolit, care se regăsește în spațiul dintre cei doi electrozi. Toate aceste componente sunt ambalate în interiorul unei carcase din metal sau material plastic. Cele două terminale de la extremități sunt marcate cu plus (+), reprezentând polul pozitiv și minus (-), polul negativ. Vom detalia mai târziu construcția și principiul de funcționare a bateriilor. Între timp, vom prezenta un scurt istoric, deoarece ne va ajuta să înțelegem mai ușor cum funcționează efectiv bateriile.

Scurt istoric 

      Istoricii au identificat că prima baterie a fost construită în anul 150 î.e.n. în Mesopotamia (regiunea cunoscută drept Leagănul Civilizației Omenirii, aflată între râurile Tigru și Eufrat - de aici și denumirea, tradusă aproximativ ținutul dintre cele două râuri, pe teritoriul Irakului de astăzi). Aceasta a fost numită bateria de la Bagdad și, conform studiilor efectuate de specialiști, scopul său nu era de a genera energie electrică (este puțin probabil ca în acea perioadă oamenii să fi avut cunoștințe despre energia electrică) ci era utilizată în ritualurile religioase. Bateria de la Bagdad era un vas de teracotă de aproximativ 15 centimetri înălțime și 7 centimetri grosime și conținea un cilindru din cupru (realizat dintr-o foaie de cupru laminată, în interiorul căreia se afla o tijă de fier foarte subțire). În partea superioară, tija de fier este izolată de discul de cupru prin intermediul unor prize de bitum. Tija de fier trece prin centrul cilindrului de cupru fără a-l atinge. Cilindrul de cupru nu este etanș, așa că, dacă vasul ar fi umplut cu un lichid (adică, în structura unei baterii moderne, cu electrolit) acesta ar înconjura și tija de fier. Testele efectuate asupra bateriei de la Bagdad au demonstrat că în interiorul vasului s-a aflat un lichid coroziv precum oțetul sau vinul, care ar fi putut acționa precum un electrolit, dar faptul că aceasta structură nu prezintă nicio bornă, care ar permite conectarea la vreun consumator, i-a determinat pe oamenii de știință care au studiat-o să aibă îndoieli asupra faptului că bateria de la Bagdad a fost construită pentru a genera energie electrică.

      În anul 1780, omul de știință italian Luigi Galvani prezenta un experiment care, datorită subiectului ales și a faptului că prezenta ceva spectaculos, reușea să facă înconjurul lumii și să popularizeze energia electrică. Experimentul presupunea utilizarea unei descărcări electrice (produsă de un trăsnet) pentru a reanima o broască. După ce a realizat circuitul electric necesar pentru a alimenta nervii măduvei spinării, Luigi Galvani a așteptat trăsnetul. Atunci când s-a produs descărcarea electrică, energia electrică a pătruns în circuitul construit de Galvani și piciorul broaștei a început să se smucească. Concluzia lui Galvani a fost că energia electrică produsă de fulger este asociată mișcării.

Experimentele au continuat în laborator, utilizând un generator electrostatic. Acesta era format dintr-un disc de sticlă, pus în mişcare manual şi de care se frecau nişte perniţe. Prin frecare, discul de sticlă se încarcă electrostatic, iar la apropierea unei baghete metalice, legată la pământ, se produce un arc electric. Din nou, muşchiul piciorului broaştei a răspuns prin convulsii, deşi era desprins de corp. Primele experimente au fost realizate utilizând pentru conectare materiale precum cuprul și fierul. Utillizând însă şi materiale izolante, Luigi Galvani a constatat că fenomenul de contracţie a musculaturii nu mai apare. Astfel, a tras concluzia (greșită) că smuciturile apar dacă picioarele sunt atinse cu metale diferite. Totuși, chiar dacă s-a demonstrat mai târziu că au fost greșite concluziile sale, Luigi Galvani a pus bazele cercetărilor ulterioare din domeniul efectului electricităţii asupra ţesuturilor vii. Cercetările sale au inspirat-o pe Mary Shelley să scrie romanul scrie romanul Frankenstein sau Prometeul modern și, probabil, fără munca acestuia nu ar fi existat defibrilatorul. De asemenea, experimentele lui Luigi Galvani, marchează și începutul altor aplicaţii printre care realizarea electrolizei apei (descompunerea apei în oxigen şi hidrogen pur cu ajutorul curentului electric continuu furnizat de o baterie - pila voltaica, despre care urmeaza sa discutam), apoi a separării sodiului (Na) şi potasiului (K) din sărurile lor.

Cel care a dezvoltat ideea lui Galvani, în direcția corectă, Alessandro Volta, era, la vremea aceea, profesor la Universitatea din Pavia. Volta a combătut ideea lui Galvani și, această critică l-a ajutat să inventeze pila voltaică (prima baterie funcțională). Repetând experimentele lui Galvani, Volta a avansat ipoteza că originea curentului electric apărut când muşchiul este în contact cu două metale diferite nu este ţesutul organic, ci contactul între metale – şi a demonstrat această ipoteză înlocuind ţesutul broaştei cu bucăţele de hârtie înmuiate în soluţie salină, bună conductoare de electricitate, obţinând astfel curent electric. Aşadar, în experienţele lui Galvani, piciorul broaştei juca rolul de indicator al trecerii curentului electric, la fel ca în cazul unui instrument de măsură (așa cum observați în imagine, sursa mișcării este energia electrică prezentă în capetele celor două conductoare, nu doar apropierea conductoarelor - așa cum considera Galvani). Instrumentele cu ac indicator pentru măsurarea curenţilor de valori mici sau a tensiunilor mici se numesc galvanometre.

Dispozitivul construit de Alessandro Volta (pila voltaică) consta dintr-un cilindru compus dintr-o succesiune de discuri de cupru și zinc, separate între ele prin intermediul altor discuri confecționate din hârtie îmbibată în soluție salină. Un ansamblu format dintr-un disc de zinc, unul din hârtie și altul de cupru formează o celulă voltaică. La extremitățile cilindrului era atașat câte un fir metalic și Volta a constatat că între cele două fire se producea un curent electric continuu de joasă intensitate. Observați în imaginile de mai jos principiul de construcție (dreapta) și un prototip al pilei voltaice (stânga).

      Volta a observat că, utilizând diferite metale, tensiunea electrica a pilei sale poate crește. După ce a efectuat o serie de teste, cu diferite metale, a constatat că rezultatele cele mai bune sunt obținute atunci când sunt utilizați electrozi de zinc și argint. Pila voltaică nu este numai strămoșul bateriilor pe care le utilizăm în prezent ci chiar modelul de element, care, evident, de-a lungul timpului, a fost îmbunătățit, din care sunt compuse bateriile uzuale.

Cum funcționează bateriile 

 În momentul în care se conectează cei doi electrozi ai bateriei într-un circuit (de exemplu, atunci când instalați bateriile într-o lanternă), electrolitul se activează și în interiorul său au loc reacții chimice. La aceste reacții chimice participă și ioni (atomi care au deficit de electroni – ioni pozitivi sau surplus de electroni – ioni negativi) care se formează în interiorul electrozilor. În timp ce au loc aceste reacții chimice, electronii se deplasează de la un electrod la altul, de-a lungul circuitului pe care îl alimentează bateria.

Toate aceste fenomene au loc până în momentul în care electrolitul este transformat complet și nu mai pot avea loc reacțiile chimice. În acel moment, ionii se opresc din mișcare, electronii nu mai curg prin circuit și bateria nu mai generează energie.

Așa cum am explicat atunci când am prezentat principiul de funcționare a pilei voltaice, este important să reținem că electrozii, aflați la extremitățile bateriei, trebuie să fie întotdeauna din materiale diferite, dar care conduc energia electrică. Acesta este și motivul pentru care funcționează bateria: unul dintre materiale cedează electroni iar celălalt îi primește și, urmare a acestui transfer de electroni, curentul electric circulă dinspre un electrod către celălalt. În imaginea de mai jos, veți observa principiul de funcționare al pilei voltaice (țineți minte, din informațiile prezentate anterior pe site, că, prin convenție, sensul curentului electric este opus sensului de deplasare a electronilor).

Vom descrie mai amănunțit cum funcționează bateria. Am enunțat anterior că electrodul pozitiv este separat de cel negativ prin intermediul electrolitului. Acest electrolit poate fi și lichid (o solutie salina), dar, în general, este o pulbere, adică un material solid sub forma unor particule foarte fine.

În momentul în care bateria este conectată la un consumator, încep sa aibă loc anumite reacții chimice. Una dintre aceste reacții chimice generează ioni pozitivi (cercurile colorate în interiorul cărora se află semnul plus) și electroni (cercurile colorate în interiorul cărora se află semnul minus) în electrodul negativ. 

Acești ioni se deplasează către interiorul electrolitului. În același timp, electronii se deplasează de-a lungul circuitului (linia în interiorul căreia se află cercurile cu semnul minus) către electrodul pozitiv și, în drumul lor către electrodul pozitiv, alimentează consumatorul (în cazul figurii pe care am prezentat-o, un bec). Există și o altă reacție chimică, ce are loc în electrodul pozitiv: electronii care pătrund în electrodul pozitiv se recombină cu ionii extrași din electrolit completând astfel circuitul.

Toate aceste reacții depind esențial de materialele din care sunt confecționați electrozii și electrolitul, dar, indiferent de reacțiile chimice care au loc și de tipul bateriei, principiile sunt aceleași precum cele prezentate mai sus.

Pe măsură ce bateria generează energie și au loc reacții chimice, compoziția chimică a electrolitului se modifică, iar tensiunea bateriei începe să scadă până în momentul în care nu mai poate genera energie și ajunge la zero. Dacă bateria nu mai poate genera ioni pozitivi, aceasta nu mai poate produce nici electroni pentru a alimenta circuitul.

Ar trebui să mai rețineți un aspect legat de anumite denumiri pe care le veți întâlni: în cazul bateriei, polul pozitiv (+) este delimitat prin denumirea catod iar polul negativ (-) este delimitat prin denumirea anod. Totuși, pentru a delimita direcția fluxului de electroni, în cazul consumatorilor de energie electrică, polul pozitiv (+) este denumit anod și polul negativ (-) este denumit catod. Ca să rezumăm: pentru baterie - (+) = catod și (-) = anod și pentru consumatorii de energie electrică (LED, motor, senzor, componente electronice) -  (+) = anod și (-) = catod.

Reacțiile chimice de oxidare și reducere

Așa cum am explicat anterior, atunci când două metale diferite – unul care poate ceda electroni și altul care poate accepta electroni, sunt introduse în anumite soluții chimice, reacțiile chimice care au loc între toate aceste elemente produc energie electrică.

Ceea ce observați mai sus este o baterie similară, ca principiu de funcționare, cu aceea care alimentează consumatorii autoturismelor. Atunci când este introdus un electrod din zinc și altul din cupru într-o soluție de acid sulfuric, încep să aibă loc reacții chimice. Astfel, în interiorul recipientului care conține electrodul din zinc are loc un proces de oxidare, în urma căruia sunt eliberați electroni; acești electroni se vor transforma în ioni de zinc. În momentul în care conectăm un consumator (de exemplu, un bec) între electrodul din zinc și cel din cupru, electronii vor începe să se deplaseze dinspre electrodul din zinc către electrodul din cupru, alimentând consumatorul cu energie electrică. Observați că între cele două soluții există o punte (o barieră semipermeabilă) care permite, într-o anumită măsură, transferul ionilor pentru a completa ciclul de funcționare a bateriei.

În interiorul electrodului din cupru are loc o altă reacție chimică, denumită reacție de reducere, o reacție care presupune adăugare de electroni la un element. Acest ciclu continua până când vor fi epuizați ionii pozitivi, și bateria nu mai poate produce nici electroni pentru a alimenta circuitul.

Tipuri de baterii

Bateriile pot avea diferite forme, dimensiuni, tensiuni și capacități.

Există două tipuri principale: baterii primare și baterii secundare. Cele primare sunt de unică folosință (precum bateriile pe care le utilizați pentru a alimenta telecomanda sau ceasul) iar cele secundare pot fi reîncărcate după epuizarea energiei stocate inițial (de exemplu, bateria telefonului mobil, a camerei foto sau cea a autoturismului).

Bateriile primare nu pot fi refolosite după ce este epuizată energia stocată, dar au un avantaj față de cele reîncarcabile și anume acela că, o baterie de unică folosință, stochează mai multă energie și durează mai mult decât o baterie reîncarcabilă de aceeași dimensiune. Există trei tipuri principale de baterii primare: zinc-carbon, alcaline și litiu.

Bateriile zinc-carbon sunt cele mai ieftine, dar stochează cea mai puțină energie. Electrodul pozitiv este compus dintr-o bară de carbon înconjurată de pulbere de carbon și oxid de mangan, electrodul negativ, reprezentat de carcasa exterioară a bateriei, este un aliaj de zinc, iar electrolitul este clorură de amoniu sub formă de pastă.

În cazul bateriilor alcaline, ce au capacitatea de a înmagazina mai multă energie, sunt utilizate alte materiale: electrozii sunt similari dar electrolitul este o soluție alcalină concentrată, hidroxidul de potasiu iar structura este un pic mai complexă, pentru a asigura o funcționare mai eficientă.

Bateriile secundare, sau reîncărcabile, au început să devină populare odată cu apariția telefoanelor mobile, dar existența lor datează de la mijlocul anilor 1800 (Gaston Planté este cel care a inventat bateria plumb-acid, reîncărcabilă, în anul 1859; aceasta este prezentată în imaginea alăturată).

În cazul acestora, electrodul pozitiv este construit din dioxid de plumb, cel negativ din plumb iar electrolitul este acidul sulfuric. Atunci când sunt utilizate ca și componente ale autoturismului, bateriile se descarcă doar la pornire și se încarcă atunci când motorul începe să genereze energie electrică, prin intermediul unui dispozitiv numit alternator. În general, fiecare celula are tensiunea de 2V (volți), astfel încât o baterie tipică pentru autoturism, de 12V, va avea 6 celule.

Bateriile reîncărcabile nichel-cadmiu (NiCd) și nichel metal hidrură (NiMH) sunt utilizate pentru a înlocui bateriile de unică folosință de 1.5V în dispozitive precum: jucării, scule electrice, aparate foto sau lanterne.  În cazul bateriilor reincarcabile NiCd, electrodul pozitiv este hidroxidul de nichel, electrodul negativ - o foiță metalică de nichel și electrolitul - hidroxid de potasiu.

În cazul bateriilor reîncărcabile NiMH, electrodul pozitiv este hidroxidul de nichel, electrodul negativ - un aliaj care oferă posibilitatea de a absorbi hidrogenul și electrolitul - hidroxid de potasiu.

Trebuie să rețineți următorul aspect: dacă bateriile normale (zinc-carbon sau alcaline) oferă, atunci când sunt la capacitatea normală de funcționare, o tensiune de 1,5V (Volți), cele reîncărcabile asigură o tensiune standard de 1,2V (Volți).

Bateriile Litiu-ion sunt cel mai popular model de baterie reîncărcabilă. Este foarte probabil ca telefonul mobil sau laptopul nostru să aibă în componența sa o astfel de baterie. Acestea lucrează la o tensiune mult mai mare decât cele NiCd sau NiMH, în general 3,7V, și pot stoca o cantitate mult mai mare de energie.

În cazul bateriilor Litiu-ion (Li-Ion), așa cum sugerează și denumirea, ionii de Litiu sunt elementele principale. Ambii electrozi sunt confecționați din materiale care pot absorbi, la un moment dat, ionii de Litiu. După cum observați, atât în anod, cât și în catod, există regiuni care pot stoca ionii de Litiu.

În etapa inițială, după ce au fost construite (sau, teoretic, atunci când le-ați cumpărat), bateriile Li-Ion sunt complet descărcate, toți ionii de Litiu se regăsesc în catod. Deci, înainte de a utiliza pentru prima dată o baterie Li-Ion este necesar să o încărcați. Pe măsură ce bateria se încarcă, are loc o reacție de oxidare în catod, aceasta însemnând că de aici se pierd particulele încărcate negativ, electronii. Pentru a menține echilibrul energetic în catod, ionii pozitivi de Litiu sunt dizolvați (transferați) în electrolit. Apoi, ionii de Litiu se deplasează către anod și sunt reținuți în golurile din acesta, unde urmează a fi stocați.

Atunci când la bornele bateriei Li-Ion este conectat un consumator, ionii de Litiu sunt desprinși de pe pozițiile lor din anod și încep să se deplaseze către catod. Drept urmare, pentru a restabili echilibrul energetic, anodul începe să elibereze electroni, care alimentează consumatorul aflat la bornele bateriei și ciclul continuă până în momentul în care catodul nu mai poate stoca ionii de Litiu, ceea ce înseamnă că bateria și-a epuizat energia disponibilă. În această etapă, este necesar să reîncărcăm bateria Li-Ion pentru a retrimite ionii de Litiu în anod.

Mărimi electrice

Există câteva mărimi care caracterizează bateriile. Prima, pe care ați aflat-o deja din paragrafele anterioare, este tensiunea electrică pe care o poate genera bateria. Bateriile standard, cele de uz general pot produce, în general, atunci când sunt noi, o tensiune de 1,5V, însă, în funcție de necesitățile dispozitivelor electronice, există o varietate de baterii care pot genera energie electrică având  diferite valori ale tensiunii (de exemplu, mașinile electrice utilizează baterii reîncarcabile de 300V).

A doua mărime, care nu este este obligatoriu să fie specificată de producător (fiind mai degrabă specifică bateriilor reîncărcabile), poate fi considerată drept cantitatea de energie electrică stocată de baterie; aceasta este măsurată în mAh (miliamperi-ora) sau Ah (amperi-ora). Ce înseamnă efectiv aceasta? Să presupunem că avem la dispoziție o baterie de 1,5V ce posedă capacitatea de 2Ah și un consumator care necesită o tensiune de alimentare de 1,5V și consumă 1A. Aceasta înseamnă că bateria va putea sa alimenteze consumatorul aproximativ 2 ore înainte de a se consuma complet.

O altă mărime, care va fi rareori specificată, este curentul maxim suportat de baterie pentru o anumită durata de timp (această durată variază și poate fi de 5 secunde, 30 de secunde, 1 minut...). Valoare este specificată în amperi (A). Vom ține cont de această mărime doar pentru aplicații speciale sau specifice. De exemplu, în cazul bateriilor autoturismelor (cele cu acid) este specificat curentul de pornire la rece (marcat cu CCA și reprezentând curentul maxim suportat timp de 30 de secunde, până când bateria va scădea la un nivel ce o poate face inutilizabilă). Un curent de pornire la rece mai mare, la aceeași capacitate în amperi-oră a bateriei, presupune faptul că bateria este mai robustă (și, de cele mai multe ori, mai scumpă).

Rețineți: din cauza faptului că majoritatea bateriilor conțin elemente toxice pentru mediul înconjurător, acestea trebuie reciclate. Drept urmare, după ce se consumă, în loc să le aruncați, încercați să le colectați și să le duceți la un punct de reciclare.

Articole din această categorie