De ce există atât de multe tipuri de baterii?

Probabil ați observat formele, dimensiunile și tipurile diferite de baterii care alimentează dispozitivele noastre electronice. De ce există atât de multe tipuri de baterii?

Mai întâi, există bateriile rotunde, cât un nasture, non-reîncărcabile, pentru ceasuri și obiectele mici. Apoi sunt celebrele baterii cilindrice AA și AAA pentru calculatoare, ceasuri și telecomenzi. Apoi sunt bateriile litiu-ion reîncărcabile din laptopuri și telefoane. Și să nu uităm de bateria cu plumb-acid din mașină. De ce există atât de multe tipuri de baterii?

• Oamenii de știință au descoperit originile fierului metalic de pe Lună
• Utilizatorii de antidepresive ar putea renunța la tratament doar cu ajutorul medicului de familie

Wesley Chang este profesor la Drexel University (SUA) și studiază bateriile și electrochimia. Chang spune că, pentru a înțelege de ce există atât de multe tipuri de baterii și ce scop are fiecare, trebuie să privim în trecut și la cum au evoluat acestea.

De ce există atât de multe tipuri de baterii? Care au fost primele baterii?

Primele baterii au fost fabricate în anii 1800 și erau destul de simple. Una dintre primele demonstrații a fost o serie de discuri metalice înmuiate în soluție salină, care a creat un curent electric, inventată de savantul italian Alessandro Volta. Prima baterie cu plumb-acid a fost alcătuită din câteva bucăți de plumb așezate într-un borcan cu acid sulfuric. Versiunile moderne nu sunt foarte diferite. Sunt doar mai ușor de fabricat și conțin diferiți aditivi pentru a le îmbunătăți performanța, explică profesorul pentru IFL Science.

În toate cazurile, bateriile funcționează în același mod: o diferență de potențial dintre doi electrozi diferiți produce un curent electric, care poate fi descărcat pentru a alimenta un dispozitiv. Bateriile reîncărcabile pot inversa acest curent pentru a se reîncărca. În interiorul bateriei, curentul electric este însoțit de fluxul de ioni printr-un lichid, electrolitul.

Trecerea fiecărui electron din curent este însoțită de transportul unui ion prin electrolit. Electrozii care pot stoca mai mulți ioni duc la baterii care pot reține mai multă încărcare și, prin urmare, o singură încărcare durează mai mult. Electrozii proiectați pentru stocarea mai rapidă a ionilor duc la baterii care se pot descărca mai repede, pentru aplicații de mare putere. În cele din urmă, capacitatea de a se încărca și descărca de multe ori fără a se degrada duce la baterii cu o durată de viață mai lungă.

Bateria cu plumb

Bateria cu plumb-acid a fost prima baterie reîncărcabilă, inventată în 1859 de Gaston Plante, care a experimentat cu plăci de plumb într-o soluție acidă și a descoperit că fluxul și stocarea curentului electric puteau fi inversate.

O baterie cu plumb-acid trebuie să fie suficient de mare pentru a furniza destulă încărcare pentru a porni o mașină. De asemenea, trebuie să fie utilizabilă în climatul rece și să dureze mulți ani. Deoarece electrolitul este un acid coroziv, carcasa externă trebuie să fie rezistentă pentru a proteja oamenii și părțile mașinii de orice daună. Știind toate acestea, are sens ca bateriile moderne cu plumb-acid să fie voluminoase și grele.

De ce există atât de multe tipuri de baterii? Bateriile alcaline

Pe de altă parte, dispozitivele casnice precum calculatoarele și cântarele digitale pot folosi baterii mai mici deoarece nu necesită multă încărcare. Acestea sunt în principal baterii alcaline, non-reîncărcabile, care au fost utilizate timp de zeci de ani. Dimensiunile celulelor standardizate sunt AAAA, AAA, AA, C și D, precum și celule „nasture” și monede, și multe altele. Dimensiunile sunt legate de cât de multă încărcare stochează acestea: cu cât bateria este mai mare, cu atât stochează mai multă încărcare, și de dimensiunile dispozitivelor pe care le alimentează.

Uneori, puteți găsi baterii alcaline de forme rectangulare, precum bateriile comune de 9 volți, dar sub carcasa exterioară veți vedea că sunt pur și simplu câteva celule cilindrice conectate împreună. Bateriile cilindrice există de atât de mult timp și sunt utilizate la o scară atât de largă încât pur și simplu nu are sens pentru companii să producă altceva diferit; acest lucru ar necesita o investiție pentru a-și schimba unitățile de fabricație, ceva ce ar prefera să nu facă.

Bateriile de nichel-cadmiu au fost primele baterii reîncărcabile utilizate la scară largă pentru electronicele casnice și au fost populare până la sfârșitul secolului al XX-lea. Dar și acestea aveau neajunsurile lor. Cadmiul este foarte toxic, iar bateriile sufereau de un „efect de memorie”, care le scădea durata de viață.

Timp de mulți ani, litiul a fost studiat pentru utilizarea potențială în baterii reîncărcabile datorită proprietăților sale unice ca metal ușor care stochează multă energie. Sony a comercializat pentru prima dată bateria litiu-ion în 1991.

Bateriile pentru vehicule electrice

Compania a produs celule cilindrice pentru că acestea erau cel mai ușor de fabricat. În anii 1990, Sony producea multe camere de filmat și casete, și avea astfel mult echipament pentru fabricarea în role. A fost natural să refolosească acest echipament pentru a produce role de electrozi pentru baterii, care sunt făcute prin turnarea filmelor pe foi de cupru sau de aluminiu, care sunt apoi rulate într-un cilindru.

Carcasa groasă a acestor celule cilindrice este mecanic rezistentă, iar pentru a adăuga un alt nivel de siguranță, au o supapă de evacuare a presiunii. Foarte repede, aceste celule litiu-ion timpurii au cucerit piața electronicelor portabile, în special pentru laptopuri și telefoane mobile, deoarece stochează mai multă energie și durează mai mult decât bateriile reîncărcabile de nichel-cadmiu.

Există atât de multe tipuri de baterii din motive de cost și de ușurință de a fi fabricate, iar în alte cazuri din cauza proceselor de fabricație moștenite. Cererea din piață are și ea un rol.

De exemplu, vehiculele electrice nu au prins avânt până când Tesla a început să producă mașini folosind celule cilindrice de litiu-ion în locul celulelor prismatice sau pungă rectangulare pe care le-au folosit alți producători de vehicule electrice. Celulele pungă și prismatice pot fi ambalate apropiate unele de altele, dar deoarece celulele cilindrice erau deja produse în masă pentru electronicele portabile, Tesla a putut să facă EV-uri mai ieftine în anii 2010.

Ce forme și dimensiuni vor avea bateriile în viitor depinde nu numai de câtă energie stochează acestea, ci și de economia pieței: de cât de ușor este să faci fiecare tip de celulă, cât costă să le faci și pentru ce sunt utilizate. Iar acești factori sunt o combinație de inovație și istorie.

Vă recomandăm să citiți și:

Diamantul poate fi presat în ceva și mai dur. Iată cum!

Betonul care se încălzește singur va putea topi zăpada fără sare

Test de cultură generală. De ce trebuie să închidem electronicele în avion?

Cercetătorii au creat chifteaua din mucegai