Twoja przeglądarka nie jest już wspierana, pobierz nową wersję.

Chrome Chrome Pobierz
Firefox Firefox Pobierz
Opera Opera Pobierz
Internet explorer Internet Explorer Pobierz
Panel klienta
W Twoim koszyku

Baterie (ogniwa) litowe, alkaiczne, srebrowe i inne - jakie są rodzaje i typy baterii?

2020-07-06

Baterie (ogniwa) litowe, alkaliczne, srebrowe i inne - jakie są rodzaje i typy baterii?

Konstruktorem używanych przez nas do dziś „baterii” (jak je potocznie, chociaż błędnie nazywamy) jest francuski inżynier Georges Leclanché, który swoje ogniwo (jak brzmi jego prawidłowa nazwa) zbudował w 1866 r. Tego ogniwa nie należy jednak mylić z akumulatorami, które są dostępne w takich samych rozmiarach, a których zasada działania jest odmienna (różnica pomiędzy bateriami a akumulatorami zostanie wyjaśniona na końcu artykułu). Ponieważ potrzeba jest matką wynalazku, oryginalne ogniwo Leclanchégo o napięciu znamionowym wynoszącym ok. 1,5V, używano do zasilania telegrafów, dzwonków i pierwszych aparatów telefonicznych. Współcześnie, po ponad 150 latach, takie baterie są używane do zasilania drobnego sprzętu elektrycznego, to jest zabawek, radioodbiorników, odtwarzaczy muzycznych, latarek i innych. Oprócz nich w sprzęcie powszechnego użytku coraz częściej używa się droższych ogniw, wykonanych na bazie litu.

Baterie (ogniwa) litowe, alkaliczne, srebrowe i inne - jakie są rodzaje i typy baterii?

Różnorodność zasilanych urządzeń stawia różne wymagania ogniwom odnośnie do pojemności, napięcia lub prądu zwarcia. Znajduje to odzwierciedlenie w ich wymiarach oraz kształcie, a także budowie i rodzaju stosowanego materiału elektrod lub elektrolitu. Czym różnią się poszczególne „baterie” i jak poprawnie je stosować?

Ogniwa cynkowo-węglowe

Wadą oryginalnego ogniwa Leclanchégo było zastosowanie w nim elektrolitu ciekłego. Składało się ono z naczynia, w którym były umieszczone elektroda cynkowa i pojemnik z porowatego materiału. Do tego pojemnika wsypywano wilgotny, sproszkowany dwutlenek manganu zmieszany z pyłem grafitowym i umieszczano w nim pręt grafitowy. Zewnętrzne naczynie wypełniano stężonym roztworem chlorku amonu. Dwutlenek manganu pełnił funkcję tzw. depolaryzatora elektrody grafitowej, pochłaniając wydzielany wodór. Inaczej gromadzący się na powierzchni węglowej pałeczki gaz izolowałby ją od reszty elektrolitu i przerywał przepływ prądu.

Duży wpływ na wygodę korzystania z tego źródła zasilania miało skonstruowanie suchej wersji ogniwa. Miało to miejsce w Niemczech, w 1887 roku, a dokonał tego Carl Gassner. Zastąpił ciekły roztwór chlorku amonu mieszaniną tej soli z wilgotnym pyłem gipsowym (obecnie zwykle stosuje się kleik skrobiowy lub żel krzemionkowy).

W ciągu swej ponad 150-letniej kariery ogniwo Leclanchégo (potocznie bateria cynkowa) doczekało się wielu modyfikacji mających na celu zwiększenie trwałości i pojemności. Jednym ze sposobów wydłużenia czasu pracy jest dodanie chlorku cynku do pasty wypełniającej kubek – takie ogniwa noszą nazwę Heavy Duty i są przeznaczone do zasilania bardziej wymagających urządzeń. Trzeba mieć na uwadze, że chlorek amonu to sól słabej zasady i mocnego kwasu, a więc hydrolizuje i wytwarza kwaśny odczyn roztworu wypełniającego ogniwo. W takim środowisku cynk nieprzerwanie ulega roztwarzaniu, nawet wtedy, gdy z układu nie czerpiemy energii elektrycznej. Przeciwdziałając temu zjawisku, stosuje się rozmaite techniki minimalizujące zużywanie metalu w stanie bezczynności baterii. Jedną z nich jest amalgamowanie, czyli pokrywanie rtęcią wewnętrznej powierzchni cynkowego kubeczka. Rtęć tworzy roztwór z cynkiem, a amalgamat cynku praktycznie nie reaguje z kwasami, ale zachowuje wszystkie własności elektrochemiczne czystego metalu. Ze względu na ochronę środowiska coraz rzadziej stosuje się ten sposób zwiększenia trwałości ogniw (na ogniwach bezrtęciowych jest napis „0% mercury” lub „mercury free”). Współczesne baterie cynkowo-węglowe mają teoretyczną gęstość energii wynoszącą od 40 do 70 Wh/kg. Zakres temperatury pracy to -10...+50°C. Trwałość baterii cynkowo-węglowych wynosi około 2 lat.

Zobacz najpopularniejsze ogniwa cynkowe w ofercie TME!


„Wylane baterie”

Eksploatując ogniwa cynkowo-węglowe, należy pamiętać, aby po wyczerpaniu nie pozostawiać ich w urządzeniu ze względu na możliwość wycieku elektrolitu. Powoduje on korozję i może doprowadzić do uszkodzenia sprzętu.

Baterie alkaliczne od Energizer

Krokiem milowym w dziedzinie baterii jednorazowych był rok 1955 i budowa ogniwa alkalicznego. Dokonał tego kanadyjski inżynier Lewis Frederick Urry, pracownik firmy, która dziś nazywa się Energizer. W jego ogniwie brak grafitowej katody i cynkowego kubeczka. Obie elektrody to wilgotne, odseparowane od siebie pasty. Mieszanina dwutlenku manganu i grafitu pełni rolę katody, natomiast anoda wykonana jest z pyłu cynkowego zmieszanego z wodorotlenkiem potasu. Obie mieszaniny dodatkowo uzupełniane są substancjami zagęszczającymi. Z metalu wykonane są tylko wyprowadzenia biegunów.

Ogniwa alkaliczne charakteryzują się znacznie lepszymi właściwościami użytkowymi, a przede wszystkim większą obciążalnością prądową i podwyższoną trwałością. Mają też większą gęstość energii, która teoretycznie wynosi od 80 do 100 Wh/kg i szerszy zakres temperatury pracy, który wynosi -30…+70°C. Trwałość baterii tego typu wynosi od 5 do 7 lat. W oznaczeniach ogniw alkalicznych jest używana litera L, na przykład, zwykłe ogniwo R6 (potocznie nazywane „paluszkiem”) w wersji alkalicznej nosi oznaczenie LR6.

Zobacz najpopularniejsze ogniwa alkaiczne w ofercie TME!


Baterie litowo-manganowe

Baterie litowe, np. baterie litowe AA, to w rzeczywistości baterie litowo-manganowe. Ich napięcie znamionowe wynosi 3 V. Wykazują odporność na wahanie temperatury, mają także dużą gęstość energii – nawet do 270 Wh/kg. Dzięki temu baterie litowe AA magazynują niemal trzy razy więcej energii niż odpowiadające im baterie alkaliczne AA. Wykorzystuje się je np. w sprzętach domowych - zegarach, kamerach, aparatach fotograficznych, a także komputerach. Energię utrzymają jeszcze dłużej, bo do 10 lat.

Do rodziny baterii litowych zalicza się wiele podtypów, które łączy użycie litu lub jego związków jako anody. Wśród związków używanych jako materiał katody są między innymi: tlenek manganu, chlorek tionylu, tlenek siarki, jod, chromian srebra i inne. Tego typu baterie mogą wytwarzać napięcie od 1,5V do 3,7V – w zależności od użytych związków chemicznych.

Baterie litowo-manganowe mają niezwykle długi czas działania, dlatego często używa się ich do zasilania urządzeń wymagających długiego okresu użytkowania, takich jak rozruszniki serca, implanty słuchu, zegarki, podtrzymanie pamięci konfiguracji w sprzęcie elektronicznym itp. Do niewątpliwych zalet należy też odporność na rozładowanie dużym prądem oraz szeroki zakres temperatury pracy (nawet od -40 do +65°C).

Niegdyś baterie tego typu były bardzo drogie i przez to rzadko używane. Współcześnie, oprócz sprzętu wymagającego długiego okresu użytkowania, stosuje się je nawet w niektórych zabawkach. Jednym z najbardziej popularnych rodzajów baterii litowych są tak zwane baterie guzikowe, potocznie nazywane „bateriami płaskimi 3 V”. Swoją nazwę zawdzięczają wyglądowi zbliżonemu do guzika i niewielkim wymiarom. W handlu są dostępne również inne rodzaje tych baterii, ale ze względu na dość dużą cenę w porównaniu z alkalicznymi, są one rzadziej stosowane.

Ze względu na dużą trwałość, baterie wykonane na bazie ogniw tego typu często mają zgrzane wyprowadzenia, które służą do ich wlutowania w płytkę. W praktyce, jeśli zastosujemy taką baterię do zasilania pamięci statycznej CMOS RAM lub układu zegara RTC, to można cieszyć się kilkuletnim okresem eksploatacji bez konieczności wymiany.

Zobacz najpopularniejsze ogniwa litowe w ofercie TME!


Baterie srebrowe

Napięcie znamionowe ogniw srebrowych wynosi 1,55 V. Katodę w tym ogniwie wykonano z tlenku srebra, a anodę z cynku. Rolę elektrolitu pełni roztwór wodorotlenku potasu. Baterie srebrowe zostały wynalezione pod koniec XIX wieku, ale masowa produkcja rozpoczęła się dopiero w latach sześćdziesiątych XX w. Bardzo często określa się je jako baterie tlenkowo-srebrowe lub srebrowo-cynkowe.

Baterie srebrowe mają stabilne napięcie wyjściowe i płaską charakterystykę rozładowania. Napięcie na zaciskach ogniwa bardzo szybko spada po jego rozładowaniu. Teoretyczna gęstość energii wynosi 130…150 Wh/kg. Baterie srebrowe są przeznaczone do stosowania w urządzeniach czułych na zmianę napięcia zasilania, wymagających jego stabilności, na przykład w przyrządach pomiarowych.

Trwałość baterii srebrowej wynosi około 2 lat. Do jej poważnych wad należy fakt, że cynk podlega korozji w zasadowym elektrolicie, co powoduje degradację baterii. Należy więc mieć na uwadze, że najczęściej po około 5 latach zaczynają przeciekać, stwarzając przy tym zagrożenie dla środowiska.

Zobacz najpopularniejsze ogniwa srebrowe w ofercie TME!


Oznaczenia i wymiary popularnych baterii

Poniżej prezentujemy i omawiamy oznaczenia oraz wymiary najpopularniejszych baterii dostępnych na rynku:

Baterie AA (paluszki)

Baterie „AA”, potocznie zwane „paluszkami” , alternatywnie są oznaczone R6 w wersji zwykłej i LR6 w wersji alkalicznej. Wymiary baterii „AA” to 14 mm średnicy i 50 mm wysokości. Jej napięcie znamionowe wynosi 1,5 V. Współcześnie oferowane baterie „AA” mają pojemność od 1600 do około 2500 mAh.

Baterie AAA (małe paluszki)

Baterie „AAA”, będące mniejszą wersją paluszków są równie popularne i noszą oznaczenie R03 w wersji zwykłej i LR03 w wersji alkalicznej. Mają one takie samo napięcie jak „AA”. Wymiary baterii „AAA” to średnica wynosząca 10 mm i wysokość 44 mm. Mają również mniejszą pojemność – od 800 mAh do około 1200 mAh.

 

Baterie LR61, R14, R20 i inne

Kolejną odmianą jeszcze mniejszych paluszków są baterie alkaliczne LR61. Ich wymiary to średnica 8,3 mm i wysokość 42,5 mm. Napięcie znamionowe wynosi 1,5 V, a pojemność do 650 mAh. Jeśli jest potrzebna większa pojemność, to należy użyć baterii cylindrycznych o oznaczeniu R14 lub większych - R20. Wymiary baterii R14 to średnica 23 mm, a wysokość 50 mm. Jej pojemność może wynosić nawet 8000 mAh. Największa wśród popularnych baterii cylindrycznych to R20. Wymiary baterii R20 to 33 mm średnicy i 58 mm wysokości. Jej pojemność sięga aż 21000 mAh.

Baterie o innym napięciu niż 1,5 V powstają dzięki połączeniu szeregowemu ogniw. I dla przykładu, tak zwana bateria płaska to 3 połączone szeregowo ogniwa R10. Inne, jak popularna bateria 9-woltowa 6F22 to 6 połączonych szeregowo ogniw F22 o wymiarach 25 mm×15 mm×8 mm, zamknięte w pojedynczej obudowie prostopadłościennej.

Podaną wyżej pojemność baterii należy traktować orientacyjnie, ponieważ stały postęp technologiczny oraz ogromne zapotrzebowanie na wydajne źródła energii powodują, że są to produkty stale rozwijane, a ich parametry ulegają zmianie. Wymiary oraz oznaczenia typów popularnych baterii cynkowo-węglowych i alkalicznych umieszczono w poniższej tabeli.

Oznaczenie baterii Wymiary baterii Napięcie znamionowe baterii
ANSI IEC NEDA Inne [mm] [V]
N R1 910A - L=30,2 mm; D=12 mm 1,5 V
AAAA LR61 25A MN2500 L=42 mm; D=8 mm 1,5 V
AAA R03 24A MN2400, AM4, UM4, HP16 L=44,5 mm; D=10,5 mm 1,5 V
AAAL - - - L=50 mm; D=10,5 mm 1,5 V
AA R6 15A MN1500, AM3, UM3, HP7 L=50 mm; D=14,2 mm 1,5 V
- R10 - - L=34 mm; D=21 mm 1,5 V
- 2R10 - - L=68 mm; D=21 mm 3 V
C R14 14A UM2, MN1400, HP11 L=50 mm; D=23 mm 1,5 V
D R20 13A MN1300, UM1, HP2 L=58 mm; D=33 mm 1,5 V
F - - - L=87 mm; D=32 mm 1,5 V
J - - - L=150 mm; D=2 mm 1,5 V
- 3R12 - GP312S, bateria płaska Prostopadłościan 67 mm × 22 mm × 67 mm 4,5 V
- - - lantern, 996 Prostopadłościan 68 mm×115 mm×68 mm 6 V
PP3 6LR61, 6F22, 6R61 1604A MN1604, block Prostopadłościan 48 mm×25 mm×15 mm 9 V
- 6F25 - - Prostopadłościan 48 mm×25 mm×25 mm 9 V
PP9 6F100 1603 - Prostopadłościan 51,6 mm×65,1 mm×80,2 mm 9 V
- 4R25X 908 MN908 Prostopadłościan 110 mm×67,7 mm×67,7 mm 6 V
- 4R25 915A - Prostopadłościan 110 mm ×67,7 mm×67,7 mm 6 V
- 4LR25-2 918A MN918 Prostopadłościan 127 mm×136,5 mm×73 mm 6 V
- - - PC926 Prostopadłościan 127 mm×136,5 mm×73 mm 12 V

Oznaczenia litowych baterii pastylkowych nie wymagają uczenia się ich parametrów, ponieważ wszystkie mają napięcie znamionowe 3V, natomiast wymiary są zakodowane w oznaczeniu baterii, w następujący sposób CR<2 cyfry, średnica w mm><2 cyfry, grubość – wartość ×0,1 mm>. Na przykład, liczby zawarte w symbolu popularnej baterii CR2032 oznaczają średnicę 20mm i grubość 3,2mm.

Niestety, powyższe stwierdzenie dotyczy jedynie popularnych typów baterii litowo-manganowych o napięciu znamionowym 3V. Wśród baterii pastylkowych dostępne są też baterie srebrowe, które są oznaczane w inny sposób.

Czym różnią się baterie od akumulatorków?

Mówiąc krótko, bateria jest ogniwem jednorazowego użytku, które po wyczerpaniu zgromadzonej w nim energii elektrycznej staje się bezużyteczne, ponieważ nie da się go ponownie naładować (czyli zgromadzić w nim na nowo energii elektrycznej). Ich przeciwieństwem są akumulatory, czyli ogniwa o żywotności od kilkuset do kilku tysięcy cykli ładowanie – rozładowanie.

Krótkie podsumowanie najważniejszych informacji o bateriach

W ramach tego krótkiego artykułu opisano jedynie najbardziej popularne typy baterii cynkowo-węglowych, alkalicznych i litowo-manganowych. Nie sposób streścić 150 lat rozwoju technologii oraz eksperymentowania z różnymi substancjami. Dlatego pominięto w nim już prawie niespotykane baterie rtęciowe, które są wycofywane z użycia ze względu na zawartość substancji niebezpiecznych dla środowiska oraz inne, mniej popularne w codziennych zastosowaniach, takie jak na przykład baterie cynkowo-powietrzne lub srebrowe.

Na koniec uwaga, która dotyczy wszystkich rodzajów ogniw jednorazowych. Pomimo różnych prób podejmowanych przez wiele osób, ogniwa jednorazowe nie nadają się do regeneracji i nie wolno ich ładować! Procesów chemicznych zachodzących w elektrolicie nie da się odwrócić przez ładowanie, natomiast gaz wydzielający się w trakcie przepływu prądu może spowodować rozerwanie i eksplozję ogniwa.


Bibliografia:

  • mlodytechnik.pl/eksperymenty-i-zadania-szkolne/chemia/4695-ogniwa-uzywane-wspolczesnie
  • www.energizer.eu/pl/battery-history/
  • pl.wikipedia.org/wiki/Bateria_ogniw
  • telefix.ugu.pl/baterie.htm

rightColumnPicture

PRZECZYTAJ TAKŻE