Εάν έχετε κοιτάξει το συρτάρι χρησιμότητας σας πρόσφατα, ίσως έχετε παρατηρήσει τα διάφορα σχήματα, μεγέθη και τύπους μπαταριών που τροφοδοτούν τις ηλεκτρονικές σας συσκευές. Πρώτον, υπάρχουν τα στρογγυλά, μη επαναληπτικά κύτταρα κουμπιών για τα ρολόγια και τα μικρά αντικείμενα σας. Υπάρχουν επίσης οι δημοφιλείς κυλινδρικές μπαταρίες AA και AAA για αριθμομηχανές, ρολόγια και τηλεχειριστήρια. Στη συνέχεια, έχετε τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου στους φορητούς υπολογιστές και τα τηλέφωνά σας. Και μην ξεχάσετε την μπαταρία μολύβδου-οξέος στο αυτοκίνητό σας.
Οι πρώτες μπαταρίες έγιναν στη δεκαετία του 1800 και ήταν πολύ απλές. Μία από τις πρώτες διαδηλώσεις ήταν μια σειρά μεταλλικών δίσκων που εμποτίζονται με άλμη, την οποία βρήκε ο Ιταλός επιστήμονας Alessandro Volta δημιούργησε ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Η πρώτη μπαταρία μολύβδου-οξέος ήταν κατασκευασμένη από μερικά κομμάτια μολύβδου σε ένα βάζο θειικού οξέος. Οι σύγχρονες εκδόσεις δεν είναι τόσο διαφορετικές. Είναι απλά πιο εύκολο να κατασκευαστούν και να περιέχουν διάφορα πρόσθετα για τη βελτίωση της απόδοσης.
Σε όλες τις περιπτώσεις, οι μπαταρίες εκτελούνται με τον ίδιο τρόπο: μια διαφορά τάσης μεταξύ δύο διαφορετικών ηλεκτροδίων παράγει ένα ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο μπορεί να απορριφθεί για την τροφοδοσία μιας συσκευής. Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες μπορούν στη συνέχεια να αντιστρέψουν αυτό το ρεύμα για να φορτίσετε πίσω. Μέσα στην μπαταρία, το ηλεκτρικό ρεύμα συνοδεύεται από τη ροή ιόντων μέσω υγρού, του ηλεκτρολύτη.
Το πέρασμα κάθε ηλεκτρονίου στο ρεύμα συνοδεύεται από τη μεταφορά ενός ιόντος μέσω του ηλεκτρολύτη. Τα ηλεκτρόδια που μπορούν να αποθηκεύσουν περισσότερα ιόντα οδηγούν σε μπαταρίες που μπορούν να κρατήσουν περισσότερη φόρτιση και ως εκ τούτου να διαρκέσουν περισσότερο σε μία μόνο φόρτιση. Τα ηλεκτρόδια που έχουν κατασκευαστεί για ταχύτερη αποθήκευση ιόντων οδηγούν σε μπαταρίες που μπορούν να εκφορτώσουν γρηγορότερα, για εφαρμογές υψηλής ισχύος. Τέλος, η δυνατότητα φόρτισης και εκκένωσης πολλές φορές χωρίς υποβάθμιση οδηγεί σε μπαταρίες με μεγάλες διάρκειας ζωής.
Μπαταρίες μολύβδου-οξέος
Η μπαταρία μολύβδου-οξέος ήταν η πρώτη επαναφορτιζόμενη μπαταρία που εφευρέθηκε το 1859 από τον Gaston Plante, ο οποίος πειραματίστηκε με πλάκες μολύβδου σε όξινο διάλυμα και διαπίστωσε ότι η ροή και η αποθήκευση ηλεκτρικού ρεύματος θα μπορούσε να αντιστραφεί.
Μια μπαταρία μολύβδου-οξέος πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη ώστε να παρέχει αρκετή χρέωση για να ξεκινήσει ένα αυτοκίνητο. Πρέπει επίσης να είναι χρησιμοποιήσιμο σε κρύα κλίματα και να διαρκέσει πολλά χρόνια. Δεδομένου ότι ο ηλεκτρολύτης είναι ένα διαβρωτικό οξύ, το εξωτερικό περίβλημα πρέπει να είναι δύσκολο να προστατεύσει τους ανθρώπους και τα μέρη των αυτοκινήτων από τυχόν βλάβες. Γνωρίζοντας όλα αυτά, έχει νόημα ότι οι σύγχρονες μπαταρίες μολύβδου-οξέος είναι μπλοκ και βαρύ.
Αλκαλικές μπαταρίες
Από την άλλη πλευρά, οι οικιακές συσκευές όπως οι αριθμομηχανές και οι ψηφιακές κλίμακες μπορούν να αντέξουν οικονομικά να χρησιμοποιούν μικρότερες μπαταρίες επειδή δεν χρειάζονται μεγάλη χρέωση. Αυτές είναι κυρίως μη επαναληπτικές αλκαλικές μπαταρίες που έχουν χρησιμοποιηθεί εδώ και δεκαετίες. Τα τυποποιημένα μεγέθη κυττάρων είναι AAAA, AAA, AA, C και D, καθώς και κύτταρα κουμπιών και νομισμάτων και πολλά άλλα. Τα μεγέθη σχετίζονται με το πόσο φορτίο αποθηκεύουν - τόσο μεγαλύτερη είναι η μπαταρία, τόσο περισσότερο κατέχει - και τα μεγέθη των συσκευών που τροφοδοτούν.
Μερικές φορές, μπορείτε να βρείτε αλκαλικές μπαταρίες που πωλούνται σε ορθογώνια σχήματα, όπως οι κοινές μπαταρίες 9- volt, αλλά ανοίξτε το εξωτερικό περίβλημα και θα διαπιστώσετε ότι είναι απλά μερικά κυλινδρικά κύτταρα που συνδέονται μαζί μέσα. Οι κυλινδρικές μπαταρίες έχουν περάσει τόσο πολύ και χρησιμοποιούνται τόσο ευρέως ώστε να μην έχει νόημα για τις εταιρείες να κατασκευάσουν κάτι διαφορετικό - θα απαιτούσε μια επένδυση για να αλλάξει τις εγκαταστάσεις παραγωγής τους, κάτι που θα προτιμούσαν να μην κάνουν.
Μπαταρίες ιόντων λιθίου
Οι μπαταρίες Nickel-Cadmium ήταν οι πρώτες ευρέως χρησιμοποιούμενες επαναφορτιζόμενες μπαταρίες για τα ηλεκτρονικά οικιακά και ήταν δημοφιλή μέχρι τα τέλη του 20ου αιώνα. Αλλά είχαν τις παγίδες τους. Το κάδμιο είναι πολύ τοξικό και οι μπαταρίες υπέφεραν από ένα "φαινόμενο μνήμης", το οποίο μείωσε τη ζωή τους.
Για πολλές δεκαετίες, το λίθιο μελετήθηκε για πιθανή χρήση σε επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων του ως ελαφρύ μέταλλο που αποθηκεύει πολλή ενέργεια. Η Sony εμπορεύτηκε για πρώτη φορά την μπαταρία ιόντων λιθίου το 1991.
Η εταιρεία έκανε κυλινδρικά κύτταρα επειδή αυτά ήταν τα πιο εύκολα στην κατασκευή. Στη δεκαετία του 1990, η Sony έκανε πολλές βιντεοκάμερες και ταινίες, και έτσι είχε πολύ εξοπλισμό για την κατασκευή με ρολό. Ήταν φυσικό να επαναπροσδιορίσετε αυτόν τον εξοπλισμό για την παραγωγή κυλίνδρων ηλεκτροδίων μπαταρίας, τα οποία κατασκευάζονται με ταινίες χύτευσης σε φύλλα χαλκού ή αλουμινίου και στη συνέχεια τα κυλούν σε έναν κύλινδρο "Jelly Roll".
Το παχύ περίβλημα αυτών των κυλινδρικών κυττάρων είναι μηχανικά ισχυρό και για να προσθέσετε ένα άλλο στρώμα ασφάλειας έχουν μια βαλβίδα ανακούφισης πίεσης. Πολύ γρήγορα, αυτά τα πρώιμα κύτταρα ιόντων λιθίου ανέλαβαν τη φορητή αγορά ηλεκτρονικών, ειδικά για φορητούς υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα, επειδή αποθηκεύουν περισσότερη ενέργεια και διήρκεσαν περισσότερο από τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες νικελίου-καροτσουλιού.
Παράγοντες που διαμορφώνουν μπαταρίες
Οι μπαταρίες γίνονται σε ορισμένα μεγέθη και σχήματα για λόγους κόστους και παρασκευής, αλλά σε άλλες περιπτώσεις λόγω των διαδικασιών παραγωγής παλαιού τύπου. Η ζήτηση της αγοράς παίζει επίσης ρόλο.
Για παράδειγμα, τα ηλεκτρικά οχήματα δεν απογειώθηκαν έως ότου η Tesla άρχισε να κάνει αυτοκίνητα χρησιμοποιώντας κυλινδρικά κύτταρα μπαταρίας ιόντων λιθίου και όχι με την ορθογώνια θήκη ή πρισματικά κύτταρα που χρησιμοποιούν άλλοι κατασκευαστές EV. Τα κύτταρα θύλακα και πρισματικά μπορούν να συσκευάζονται στενά μαζί, αλλά επειδή τα κυλινδρικά κύτταρα είχαν ήδη παραχθεί μαζικά για φορητά ηλεκτρονικά, η Tesla ήταν σε θέση να κατασκευάσει EVS χαμηλότερου κόστους το 2010.
Αυτό που διαμορφώνει και μεγέθη οι μπαταρίες θα πάρουν στο μέλλον εξαρτάται όχι μόνο από την ενέργεια που αποθηκεύουν, αλλά και από την οικονομία της αγοράς - πόσο εύκολο είναι να κάνετε κάθε τύπο κυττάρου, πόσο κοστίζει για να τα κάνετε και τι χρησιμοποιούνται. Και αυτοί οι παράγοντες είναι ένας συνδυασμός καινοτομίας και ιστορίας.