Dlaczego istnieje tak wiele różnych rodzajów baterii?

Zdjęcie: DepositPhotos

Jeśli ostatnio zaglądałeś do swojej szuflady z przyborami, mogłeś zauważyć różne kształty, rozmiary i typy baterii, które zasilają twoje urządzenia elektroniczne. Są małe, okrągłe baterie guzikowe do zegarków i innych drobnych gadżetów. Popularne cylindryczne baterie AA i AAA używane w kalkulatorach, zegarach i pilotach. Do tego dochodzą akumulatory litowo-jonowe w laptopach i telefonach. Nie zapominajmy też o akumulatorze kwasowo-ołowiowym w samochodzie. Jestem profesorem zajmującym się badaniem baterii i elektrochemii. Aby zrozumieć, dlaczego baterie występują w tak wielu rozmiarach i kształtach oraz pełnią różne funkcje, warto spojrzeć w przeszłość – na ich początki i rozwój na przestrzeni lat.

Pierwsze baterie powstały w XIX wieku i były dość prymitywne. Jednym z pierwszych eksperymentów było ułożenie metalowych dysków nasączonych solanką, co według włoskiego naukowca Alessandro Volty generowało prąd elektryczny. Pierwsza bateria kwasowo-ołowiowa składała się z kilku kawałków ołowiu zanurzonych w słoju z kwasem siarkowym. Współczesne wersje nie różnią się aż tak bardzo – są po prostu łatwiejsze w produkcji i zawierają różne dodatki poprawiające ich wydajność.

Bez względu na typ, wszystkie baterie działają na tej samej zasadzie: różnica napięcia między dwiema różnymi elektrodami wytwarza prąd elektryczny, który może zasilać urządzenie. Akumulatory mogą następnie odwrócić ten proces i naładować się ponownie. Wewnątrz baterii przepływ prądu elektrycznego towarzyszy ruch jonów przez ciecz, czyli elektrolit.

Każdy elektron w prądzie musi być sparowany z jonem przemieszczającym się przez elektrolit. Elektrody zdolne do przechowywania większej liczby jonów pozwalają baterii gromadzić więcej ładunku i działać dłużej na jednym naładowaniu. Elektrody zaprojektowane pod kątem szybszego magazynowania jonów umożliwiają szybkie rozładowanie, co jest kluczowe w zastosowaniach wymagających dużej mocy. Natomiast baterie, które mogą być ładowane i rozładowywane wiele razy bez utraty właściwości, charakteryzują się długą żywotnością.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe

Akumulator kwasowo-ołowiowy to pierwsza wynaleziona bateria wielokrotnego ładowania. Powstała w 1859 roku dzięki eksperymentom Gastona Planté, który odkrył, że przepływ i magazynowanie prądu elektrycznego można odwrócić, używając ołowiowych płyt zanurzonych w roztworze kwasu. Akumulator kwasowo-ołowiowy musi być na tyle duży, aby dostarczyć wystarczającą ilość energii do uruchomienia silnika samochodu. Powinien też działać w niskich temperaturach i wytrzymać wiele lat. Ponieważ elektrolit to silnie żrący kwas, obudowa musi być solidna, aby chronić ludzi i elementy pojazdu przed uszkodzeniem. To wszystko sprawia, że nowoczesne akumulatory kwasowo-ołowiowe są masywne i mają kanciasty kształt.

Baterie alkaliczne

Z kolei urządzenia domowe, takie jak kalkulatory czy wagi cyfrowe, mogą korzystać z mniejszych baterii, ponieważ nie potrzebują dużej ilości energii. Od dekad stosuje się w nich głównie jednorazowe baterie alkaliczne, które są dostępne w standardowych rozmiarach: AAAA, AAA, AA, C i D, a także w formie baterii guzikowych i monetowych. Wielkość baterii wiąże się bezpośrednio z ilością przechowywanego ładunku – im większa bateria, tym więcej energii może dostarczyć.

Czasami można znaleźć baterie alkaliczne w kształcie prostopadłościanu, jak popularne dziewięciowlotowe baterie 9V. Jednak wewnątrz ich obudowy kryje się kilka cylindrycznych ogniw połączonych w jedną całość. Cylindryczne baterie są produkowane od tak dawna i w tak ogromnych ilościach, że zmiana tego standardu wymagałaby kosztownych modyfikacji linii produkcyjnych, na co firmy niechętnie się decydują.

Baterie litowo-jonowe

Pierwszymi szeroko stosowanymi akumulatorami do urządzeń elektronicznych były niklowo-kadmowe, które cieszyły się popularnością do końca XX wieku. Miały jednak wady – kadm jest silnie toksyczny, a baterie te cierpiały na efekt pamięci, który skracał ich żywotność. Przez wiele lat naukowcy badali możliwość wykorzystania litu w akumulatorach, ponieważ jest to lekki metal, który może magazynować dużo energii. Pierwsza komercyjna bateria litowo-jonowa została wprowadzona na rynek przez Sony w 1991 roku.

Sony początkowo produkowało ogniwa cylindryczne, ponieważ były najłatwiejsze w wytwarzaniu. W latach 90. firma miała duże doświadczenie w produkcji kamer i kaset wideo, co wiązało się z zastosowaniem technologii taśmowej. Wykorzystano więc te same procesy do tworzenia elektrod baterii, nakładając warstwy aktywnych materiałów na arkusze miedzi lub aluminium, a następnie zwijając je w kształt rolki żelowej (ang. jelly roll). Cylindryczna obudowa była mechanicznie wytrzymała, a dodatkowe zawory bezpieczeństwa zapewniały ochronę przed nadmiernym ciśnieniem. Szybko okazało się, że ogniwa litowo-jonowe są znacznie bardziej wydajne i trwałe niż starsze niklowo-kadmowe, dzięki czemu stały się standardem w laptopach i telefonach komórkowych.

Co wpływa na kształt i rozmiar baterii?

Wielkość i kształt baterii wynikają z kosztów produkcji, technologii oraz utrwalonych standardów. Nie bez znaczenia jest także popyt na dany typ ogniw. Na przykład elektryczne samochody długo nie zdobywały popularności, dopóki Tesla nie zaczęła stosować cylindrycznych ogniw litowo-jonowych zamiast bardziej kompaktowych ogniw płaskich (pouch) lub pryzmatycznych. 

Teoretycznie ogniwa płaskie można upakować gęściej, ale ponieważ cylindryczne ogniwa były już masowo produkowane dla elektroniki użytkowej, Tesla mogła obniżyć koszty produkcji swoich aut, co przyczyniło się do ich sukcesu w latach 2010. To, jakie kształty i rozmiary będą miały baterie przyszłości, zależy nie tylko od ich pojemności, ale również od ekonomii rynku – łatwości i kosztów produkcji oraz zastosowań. A to z kolei jest mieszanką innowacji i historii.