Baterie – princip, typy a použití: jak fungují primární a dobíjecí články

Poznejte princip, typy a použití baterií: jak fungují primární a dobíjecí články, tipy na nabíjení, životnost a využití v mobilech i elektromobilech.

Baterie přeměňuje chemickou energii na elektrickou pomocí chemické reakce. Chemické látky jsou obvykle uloženy uvnitř baterie a při průchodu proudu vnějším obvodu probíhají redoxní reakce mezi elektrodami a elektrolytem. Výsledkem je tok elektronů v obvodu, který napájí další součástky. Baterie typicky vyrábí stejnosměrný elektrický proud (tj. proud, který teče jedním směrem a nepřepíná se tam a zpět).

Jak baterie funguje – stručný princip

V jádru každé baterie jsou dvě elektrody (anoda a katoda) a elektrolyt, který umožňuje pohyb iontů mezi nimi. Při vybíjení se na anodě uvolňují elektrony do vnějšího obvodu, procházejí spotřebičem a vracejí se na katodu, kde proběhne protějšková chemická reakce. Rozdíl potenciálů mezi elektrodami určuje nominální napětí článku. Během nabíjení (u dobíjecích článků) jsou tyto reakce obráceny externím zdrojem energie.

Konstrukce a důležité parametry

• Nominální napětí: závisí na chemii článku (např. alkalické ~1,5 V, olověné ~2 V na článek, Li‑ion ~3,6–3,7 V).
• Kapacita: udává, kolik elektrického náboje baterie může dodat, obvykle v ampérhodinách (Ah) nebo miliampérhodinách (mAh).
• Vnitřní odpor: ovlivňuje, jak moc klesne napětí při zatížení a jaké teplo se při vybíjení vytváří.
• Hustota energie a hustota výkonu: energie na jednotku hmotnosti/objemu a schopnost dodat výkon krátkodobě.
• Samo­vybíjení: pomalá ztráta nabití i bez připojeného spotřebiče; li‑ion články mají nízké samovybíjení, některé primární články vyšší.

Typy baterií

Baterie lze rozdělit podle možnosti opětovného nabíjení na primární a sekundární (dobíjecí) články.

Primární (jednorázové) články: Po vyčerpání chemického materiálu je nelze účinně obnovit a obvykle se vyhodí. Patří sem např. alkalické baterie (AA, AAA), běžné zinko‑uhlíkové články nebo některé lithium‑primární články používané v malých spotřebičích. Mají často vyšší energii na jednotku hmotnosti ve srovnání s dostupnými typy dobíjecích článků a nízké samovybíjení, což je výhodné pro nouzová nebo dlouhodobá použití.

Sekundární (dobíjecí) články: Jsou navrženy pro opakované nabíjecí cykly. Mezi nejrozšířenější patří:

• Olovo‑kyselinné (Pb): levné, spolehlivé, vysoká schopnost dodávat proud; často se používají v automobilových bateriích a záložních zdrojích. Vyžadují údržbu u některých typů (např. dolévání elektrolytu) a jsou těžké.
• Nikl‑metalhydridové (NiMH): běžné u dobíjecích AA/AAA baterií; vyšší kapacita než starší NiCd a bez toxického kadmia.
• Lithium‑iontové (Li‑ion): vysoká hustota energie, relativně nízká hmotnost, široké použití v přenosné elektronice (mobilní telefony), notebooky a elektromobilech (elektrická vozidla). Vyžadují speciální nabíjecí elektroniku a ochranu proti přebití a přehřátí.
• Speciální typy: průtokové baterie pro stacionární velkokapacitní skladování energie, lithium‑polymérové články s flexibilními pouzdry apod.

Použití baterií

Baterie se používají všude tam, kde je potřeba mobilní nebo záložní zdroj energie: od hodinek, hraček a mobilních telefonů přes nářadí a fotoaparáty až po napájení elektrických vozidel a čím dál častěji také pro ukládání energie z fotovoltaických systémů nebo k vyrovnávání zátěže v elektrické síti. I když je pro většinu stacionárních aplikací často výhodnější použít elektřinu z tradiční sítě (je to obvykle levnější a efektivnější), baterie umožňují provoz mimo síť nebo v přechodových stavech, kde není dostupný rozvod elektřiny nebo je potřeba záloha.

Bezpečnost, údržba a skladování

• Bezpečnost: Dodržujte doporučení výrobce – používejte správné nabíječe, nepřekračujte teplotní limity, chraňte články před mechanickým poškozením a neopravujte je násilím. U li‑ion článků hrozí při poškození nebo špatném nabíjení nebezpečí tepelných událostí (thermal runaway).
• Údržba: Olověné baterie nesnášejí dlouhodobé hluboké vybití a u některých typů je třeba kontrolovat hladinu elektrolytu. Moderní li‑ion baterie nevyžadují formátování a obecně nemají „paměťový efekt“ známý z NiCd, ale opakované hluboké vybíjení a vysoké teploty snižují jejich životnost.
• Skladování: Doporučuje se skladovat baterie na chladném, suchém místě. Dobíjecí li‑ion články se obvykle skladují nabité na přibližně 40–50 % kapacity pro minimalizaci stárnutí; olověné baterie je vhodné udržovat nabité, aby se zabránilo sulfataci.

Životnost, recyklace a dopad na životní prostředí

Baterie mají omezený počet nabíjecích cyklů (u dobíjecích typů) a po určité době výkon klesá. Recyklace je důležitá: olověné akumulátory jsou vysoce recyklovatelné a recyklační procesy pro ně jsou velmi zavedené; recyklace lithiových baterií je technologicky náročnější, ale rozvíjí se kvůli rostoucímu objemu použitých článků z přenosné elektroniky a elektromobilů. Správná likvidace snižuje riziko úniku těžkých kovů a chemických látek do prostředí.

Praktické tipy

• Používejte baterie vhodného typu pro danou aplikaci (primární pro nouzové/dlouhodobé skladování, dobíjecí pro časté používání).
• Nepoužívejte poškozené nebo nafouklé články a nevhazujte je do běžného odpadu.
• Pro delší životnost li‑ion baterií omezte vystavování vysokým teplotám a dlouhodobému plnému nabití.
• Pokud skladujete náhradní baterie, kontrolujte je příležitostně a udržujte je na doporučené úrovni nabití.

Chemie uvnitř baterie

Baterie může mít jeden nebo více článků. Každý článek má anodu, katodu a elektrolyt. Elektrolyt je hlavní materiál uvnitř baterie. Často se jedná o druh kyseliny a může být nebezpečný při dotyku. Anoda reaguje s elektrolytem a vytváří elektrony (jedná se o záporný nebo - konec). Katoda reaguje s elektrolytem a přijímá elektrony (jedná se o kladný nebo + konec). Elektrický proud vzniká, když vodič spojí anodu s katodou a elektrony se pohybují z jednoho konce na druhý. (Baterie se však může poškodit pouhým drátem spojujícím oba konce, proto je mezi oběma konci potřeba také zátěž. Zátěž je něco, co zpomaluje elektrony a obvykle dělá něco užitečného, jako je žárovka ve svítilně nebo elektronika v kalkulačce).

Elektrolyt může být kapalný nebo pevný. V závislosti na typu elektrolytu se baterie nazývá mokrý nebo suchý článek.

Chemické reakce, které probíhají v baterii, jsou exotermické. Při tomto typu reakce vzniká teplo. Pokud například necháte notebook dlouho zapnutý a pak se dotknete baterie, bude teplá nebo horká.

Dobíjecí baterie se dobíjí obrácenou chemickou reakcí, která probíhá uvnitř baterie. Dobíjecí baterii lze však dobít pouze určitý početkrát (doba nabíjení). Ani vestavěné baterie nelze dobíjet donekonečna. Navíc při každém dobíjení baterie se její schopnost udržet náboj o něco sníží. Nenabíjecí baterie by se neměly nabíjet, protože z nich mohou unikat různé škodlivé látky, například hydroxid draselný.

Články lze propojit a vytvořit tak větší baterii. Propojení kladného článku se záporným článkem se nazývá sériové zapojení. Napětí jednotlivých baterií se sčítají. Dvě šestivoltové baterie zapojené do série vytvoří 12 voltů.

Propojení kladného článku s kladným článkem a záporného se záporným se nazývá paralelní zapojení. Napětí zůstává stejné, ale proud se sčítá. Napětí je tlak, který tlačí elektrony skrz vodiče, měří se ve voltech. Proud je to, kolik elektronů může projít najednou, měří se v ampérech. Kombinace proudu a napětí je výkon (watty = volty x ampéry) baterie.

Paralelně zapojené baterie - znázorněno na schématu a výkresu

Typy baterií

• Suché články, články, které neobsahují kapalinu (nebo obsahují imobilizovanou kapalinu, jako je pasta nebo gel) jako elektrolyt.
• Primární článek, článek, který nelze dobíjet
• Alkalická baterie, "alkalická", nenabíjecí
• Rtuťová baterie, nenabíjecí
• Baterie Leclanche, "super heavy duty", nenabíjecí
• Lithiová baterie, nenabíjecí, "mincovní článek"
• Baterie s oxidem stříbrným, nenabíjecí, hodinková baterie
• Voltova hromada, první baterie Allesandra Voltase
• Sekundární článek, články, které lze dobíjet
• Uzavřený olověný akumulátor
• Lithium-iontová baterie, dobíjecí, používaná v mobilních telefonech a noteboocích
• Nikl-kadmiová baterie, "NiCd", dobíjecí
• Nikl-metal-hydridová baterie, "NiMH", dobíjecí
• Nikl-zinkové baterie

• Mokré články, články, které obsahují kapalinu jako elektrolyt.
• Olověný akumulátor, dobíjecí, autobaterie
• Niklová baterie, dobíjecí, Edisonova baterie
• Palivový článek, dobíjený přidáním paliva

Pohled na autobaterii shora

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je to baterie?

Otázka: Jak baterie vyrábí elektrickou energii?

Otázka: Kde jsou v baterii uloženy chemické látky?

Otázka: Jaký je rozdíl mezi primární a sekundární baterií?

Otázka: Proč jsou baterie užitečné?

Otázka: Je použití elektřiny ze zásuvky v budově levnější a efektivnější než použití baterie?

Otázka: Jaký typ elektřiny vyrábí baterie?

Hledání podle dopisu