V širokém slova smyslu se v technice pod pojmem „baterie“ rozumí zařízení, které umožňuje za určitých provozních podmínek určitý druh energie akumulovat a za jiných utrácet pro lidské potřeby.
Používají se tam, kde je potřeba po určitou dobu shromáždit energii a následně ji využít k provádění velkých, pracně náročných procesů. Například hydraulické akumulátory používané v plavebních komorách umožňují zvedání lodí na novou úroveň v korytě řeky.
Elektrické baterie pracují s elektřinou podle stejného principu: nejprve akumulují (akumulují) elektřinu z externího zdroje náboje a poté ji dávají připojeným spotřebitelům k výkonu práce. Svou povahou jsou to chemické zdroje proudu schopné provádět mnoho periodických cyklů vybíjení a nabíjení.
Během provozu neustále probíhají chemické reakce mezi součástmi elektrodových desek a látkou, která je vyplňuje – elektrolytem.
Schematický diagram bateriového zařízení lze znázornit zjednodušeným nákresem, kdy jsou do těla nádoby vloženy dvě desky z různých kovů s přívody pro elektrické kontakty. Elektrolyt se nalévá mezi desky.
Výkon baterie při vybití
Když se k elektrodám připojí zátěž, například žárovka, vznikne uzavřený elektrický obvod, kterým protéká výbojový proud. Vzniká pohybem elektronů v kovových částech a aniontů s kationty v elektrolytu.
Tento proces je obvykle znázorněn na diagramu s konstrukcí nikl-kadmiové elektrody.
Zde se jako materiál kladné elektrody používají oxidy niklu s přísadami grafitu, které zvyšují elektrickou vodivost. Kov záporné elektrody je kadmiová houba.
Při výboji se částice aktivního kyslíku z oxidů niklu uvolňují do elektrolytu a směřují na negativní desky, kde oxidují kadmium.
Výkon baterie při nabíjení
Když je zátěž odpojena, je na svorky desek přivedeno konstantní (v určitých situacích pulzující) napětí, které je větší než napětí baterie nabíjené se stejnou polaritou, když se kladné a záporné svorky zdroje a spotřebiče shodují.
Nabíječka má vždy větší výkon, který „potlačuje“ zbývající energii v baterii a vytváří elektrický proud v opačném směru, než je vybíjení. V důsledku toho se mění vnitřní chemie mezi elektrodami a elektrolytem. Například na nádobě s nikl-kadmiovými deskami je kladná elektroda obohacena kyslíkem a záporná elektroda je obnovena do stavu čistého kadmia.
Při vybíjení a nabíjení baterie se mění chemické složení materiálu desek (elektrod), ale nemění se elektrolyt.
Způsoby připojení baterie
Velikost vybíjecího proudu, kterou člověk snese, závisí na mnoha faktorech, především však na konstrukci, použitých materiálech a jejich rozměrech. Čím větší je plocha desek elektrod, tím větší proud mohou odolat.
Tento princip se používá pro paralelní připojení baterií stejného typu, pokud je potřeba zvýšit proud do zátěže. K nabití takového provedení ale bude nutné zvýšit výkon zdroje. Tato metoda se zřídka používá pro hotové konstrukce, protože nyní je mnohem snazší okamžitě zakoupit potřebnou baterii. Používají ho ale výrobci kyselých baterií, spojujících různé desky do jednotlivých bloků.
V závislosti na použitých materiálech může být mezi dvěma elektrodovými deskami běžných domácích baterií generováno napětí 1,2/1,5 nebo 2,0 V. (Ve skutečnosti je tento rozsah mnohem širší.) Pro mnoho elektrických spotřebičů to zjevně nestačí. Proto jsou baterie stejného typu zapojeny do série, a to se často děje v jediném krytu.
Příkladem takové konstrukce je široce rozšířený automobilový vývoj založený na kyselině sírové a olověných elektrodových deskách.
Obvykle lidé, zejména mezi řidiči dopravy, nazývají jakékoli zařízení baterií, bez ohledu na počet jeho základních prvků – plechovek. To však není úplně správné. Konstrukce, sestavená z několika sériově zapojených plechovek, je již baterie, které je přiřazen zkrácený název „AKB“. Jeho vnitřní struktura je znázorněna na obrázku.
Každá z plechovek se skládá ze dvou bloků se sadou destiček pro kladné a záporné elektrody. Bloky do sebe zapadají bez kovového kontaktu s možností spolehlivého galvanického spojení přes elektrolyt.
V tomto případě mají kontaktní desky přídavnou mřížku a jsou od sebe odděleny oddělovací deskou – separátorem.
Spojení desek do bloků zvětšuje jejich pracovní plochu, snižuje celkový odpor celé konstrukce a umožňuje zvýšit výkon připojené zátěže.
Na vnější straně pouzdra má taková baterie prvky znázorněné na obrázku níže.
Ukazuje, že odolná plastová skříň je hermeticky uzavřena víkem a je nahoře vybavena dvěma koncovkami (obvykle kuželovitého tvaru) pro připojení k elektrickému obvodu vozu. Na jejich svorkách jsou vyraženy značky polarity: „+“ a „-“. Aby se zablokovaly chyby zapojení, je průměr kladné svorky o něco větší než průměr záporné svorky.
Provozuschopné baterie mají na horní straně každé plechovky plnicí hrdlo pro kontrolu hladiny elektrolytu nebo doplňování destilované vody během provozu. Je do něj našroubována zátka, která chrání vnitřní dutiny dózy před znečištěním a zároveň zabraňuje vylití elektrolytu při naklonění baterie.
Protože při silném nabití je možné prudké uvolnění plynů z elektrolytu (a tento proces je možný při intenzivní jízdě), jsou v zátkách vytvořeny otvory, aby se zabránilo zvýšení tlaku uvnitř plechovky. Uniká jimi kyslík a vodík a také páry elektrolytů. Takovým situacím spojeným s nadměrnými nabíjecími proudy je vhodné se vyhnout.
Stejný obrázek ukazuje spojení prvků mezi bankami a umístění elektrodových desek.
Startovací autobaterie (olověné) fungují na principu dvojité sulfatace. Při vybíjení/nabíjení na nich probíhá elektrochemický proces provázený změnou chemického složení aktivní hmoty elektrod s uvolňováním/absorpcí vody do elektrolytu (kyseliny sírové).
To vysvětluje zvýšení měrné hustoty elektrolytu při nabíjení a snížení při vybíjení baterie. Jinými slovy, hodnota hustoty umožňuje vyhodnotit elektrický stav baterie. K jeho měření se používá speciální zařízení – automobilový hustoměr.
Destilovaná voda, která je součástí elektrolytu kyselých baterií, se při záporných teplotách mění v pevné skupenství – led. Proto, aby autobaterie nezamrzly v chladném počasí, je nutné uplatnit zvláštní opatření stanovená provozním řádem.
Jaké typy baterií existují?
Moderní výroba produkuje více než tři desítky výrobků s nejrůznějším složením elektrod a elektrolytů pro různé účely. Je známo 12 modelů založených pouze na lithiu.
