Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
Baterie alkaliczne i węglowo-cynkowe to jedne z najpopularniejszych baterii jednorazowych, które są dostępne w sprzedaży. Warto jednak znać też inne technologie, np. ogniwa rtęciowe.
Oto krótki zbiór praktycznych informacji na temat dostępnych technologii, w których produkowane są baterie jednorazowe.
Podczas lektury artykułu poznasz 7 rodzajów baterii jednorazowych. Dowiesz się, jakie są ich wady i zalety oraz co jest podstawą ich działania. Oprócz tego będziesz potrafił porównać różne typy baterii, np. ze względu na zachowanie się w różnych temperaturach.
Zrozumiesz również, dlaczego pewien rodzaj baterii ma w sobie mały otwór, który trzeba odsłonić, aby ogniwo zaczęło działać. Na koniec odświeżysz wiedzę na temat tego, gdzie wyrzucać zużyte baterie.
Ściśle biorąc, ogniwo to pojedynczy element, a bateria to zestaw takich elementów. Większość sprzedawanych baterii to pojedyncze ogniwa (np. popularne paluszki), a jedynie nieliczne (np. te 9-woltowe) składają się z kilku ogniw, więc tylko one są faktycznie bateriami.
W języku potocznym nie ma prawidłowego rozróżnienia na ogniwa i baterie. W sprzedaży znajdziemy najczęściej po prostu „baterie”, więc będziemy tu używać tych określeń równoważnie.
Ciekawostka: kilkadziesiąt lat temu wykorzystywano tzw. baterie anodowe (60-120 V), stosowane do zasilania lampowych odbiorników radiowych. Dłużej utrzymały się – używane jeszcze do niedawna w latarkach – baterie 4,5-woltowe, tzw. płaskie, składające się z trzech ogniw.
Zacznijmy od omówienia kluczowych parametrów baterii… a raczej ogniw. Na początek te podstawowe, które są najważniejsze dla zwykłych użytkowników.
Wyrażane w woltach napięcie (U) zależy od składu chemicznego. W praktyce najczęściej mamy kontakt z popularnymi paluszkami o napięciu nominalnym 1,5 V, a wiele osób zapewne kojarzy też inne baterie o charakterystycznej budowie – o napięciu 9 V.
Napięcie nominalne to tylko wartość umowna, wynikająca z chemicznych właściwości materiałów czynnych. W czasie pracy napięcie baterii się zmienia – jest znacząco wyższe od nominalnego w świeżej baterii, a jako końcowe napięcie rozładowania przyjmuje się napięcie znacznie niższe od nominalnego.
Pojemność (C) zależy głównie od rozmiarów i masy. W zasadzie jest to dostępny w baterii ładunek elektryczny (Q), który mógłby być wyrażony w kulombach (amperosekundach) – warto pamiętać, że jest to iloczyn prądu i czasu (Q = I * t).
Jednak w praktyce pojemność baterii wyrażana jest w miliamperogodzinach (mAh), a nie w kulombach, a tym bardziej nie w faradach.
Pojemność danej baterii nie ma jednej, ściśle określonej wartości, zależy bowiem od wielkości prądu rozładowania i innych czynników, w tym temperatury. Przy większych prądach i w niższych temperaturach pojemność jest znacząco mniejsza. W katalogach podaje się często konkretną wartość pojemności określoną w jakichś warunkach, nie tyle standardowych, ile raczej przeciętnych.
W praktyce ważniejsza od pojemności baterii jest ilość dostępnej energii, oznaczana literą E lub W, wyrażana w watogodzinach (Wh). Najprościej biorąc, jest ona iloczynem napięcia nominalnego i pojemności (E = W = U * C).
Na przykład przy jednakowej pojemności C najmniejszą ilość energii zawiera akumulatorek o napięciu nominalnym 1,2 V, nieco więcej ogniwo o napięciu 1,5 V, a trzy razy więcej energii zawiera akumulatorek o napięciu 3,6 V.
Warto też wiedzieć, choć to jeszcze inny aspekt zagadnienia, że poszczególne rodzaje baterii mają różną gęstość energii. Wyrażana jest ona albo w watogodzinach na kilogram (Wh/kg – gęstość grawimetryczna), albo w watogodzinach na litr objętości (Wh/l – gęstość wolumetryczna). Więcej o tym w dalszej części. Nie analizujemy tego przy zakupie baterii do zegarka, ale nawet dla przeciętnego użytkownika ma znaczenie to, które baterie zawierają więcej energii i jak to się ma do ich ceny.
Niedocenianą, lecz w praktyce bardzo ważną właściwością jest też możliwość oddawania dużych prądów, czyli w sumie dużej mocy. Zależy ona od rezystancji wewnętrznej baterii. Im mniejsza jest ta rezystancja, tym większy prąd będziemy mogli pobrać z danej baterii. Dlatego np. jeden typ baterii sprawdzi się jako źródło zasilania zdalnie sterowanego samochodu rajdowego, a inny absolutnie nie.
Prawdziwa bateria charakteryzuje się rezystancją wewnętrzną
Problem w tym, że ta rezystancja wewnętrzna nie jest stała i podczas rozładowania baterii znacząco rośnie (a napięcie nieco się zmniejsza). Rezystancja wewnętrzna zależy też od temperatury – rośnie, gdy temperatura się zmniejsza – a także od technologii produkcji i składu chemicznego. Producenci nie podają szczegółów, a jeśli już, to tylko przybliżoną rezystancję wewnętrzną świeżej baterii. Ogólnie rzecz biorąc, baterie jednorazowe mają rezystancję wewnętrzną większą niż akumulatory.
Oprócz najpopularniejszych „paluszków alkalicznych” istnieje wiele innych baterii jednorazowych. Różnią się i wielkością, i parametrami. Są to chemiczne źródła prądu, w których energia wiązań chemicznych podczas jednorazowej, nieodwracalnej reakcji zamienia się w energię elektryczną. Ten artykuł omawia technologie, w których wykonywane są baterie, a temat rozmiarów i ich oznaczeń jest na tyle obszerny, że został omówiony w osobnym tekście:
Publikacja artykułu o oznaczenia baterii już wkrótce!
Obecnie na rynku dominują tzw. baterie alkaliczne (nie „alkaiczne”), dostępne w różnej wielkości. Od wielu lat najpopularniejsze są ogniwa w wersji nazywanej „paluszkami”. Warto jednak wiedzieć, że produkowane są też alkaliczne ogniwa guzikowe. Mają stosunkowo dużą pojemność i mogą pracować w temperaturach ujemnych (od –20°C). Ogniwa alkaliczne są dziś tanie i najczęściej kupowane.
Przykłady ogniw alkalicznych oraz alkalicznej baterii 9 V
Ogniwa alkaliczne mają napięcie nominalne 1,5 V. Podstawą ich działania jest reakcja chemiczna między metalem cynkiem a dwutlenkiem manganu (Zn/MnO2). Elektrolit pomiędzy tymi składnikami jest alkaliczny, czyli zasadowy – jest to roztwór wodorotlenku potasu (KOH).
Znane są również jako baterie (ogniwa) Leclanchégo, manganowe, węglowe lub braunsztynowe. Też mają napięcie nominalne równe 1,5 V i też materiałami czynnymi są tam dwutlenek manganu, zwany braunsztynem, oraz cynk metaliczny. Elektrolitem jest jednak chlorek cynku lub chlorek amonu.
Baterie węglowo-cynkowe z zewnątrz nie różnią się od baterii alkalicznych (liczy się opis na obudowie)
Nazwa „węglowe” wzięła się stąd, że elektroda dodatnia ma w nich postać węglowego pręcika. Ogniwa te są najtańsze i do niedawna były najpopularniejsze na rynku. Są zdecydowanie gorsze od alkalicznych – mają dużo mniejszą pojemność i trwałość oraz tracą swe właściwości w temperaturach ujemnych.
W większości zastosowań warto używać ogniw alkalicznych, bo choć są droższe, to mają większą pojemność i stosunek ceny do pojemności jest korzystniejszy. Praktycznie każda bateria alkaliczna ma napis „alkaline” lub podobny. Jego brak wskazuje, że jest to bateria węglowo-cynkowa, nawet jeśli na obudowie ma napisy typu „Heavy Duty”, „Super”, „Long Life” (to tylko marketing).
Przykład baterii węglowo-cynkowej z zachęcającym hasłem reklamowym
Bateria jest alkaliczna, jeżeli na początku jej oznaczenia znajduje się literka L, np. LR03, LR6, LR20, LR44. Oznaczenia R03, R6, R20, R44 wskazują, że jest to zwykłe ogniwo węglowo-cynkowe. Więcej na temat tego typu alfanumerycznych kodów opisujących baterie przeczytać można w osobnym artykule.
Nazywane są bardzo często zegarkowymi, bo od lat są powszechnie stosowane do zasilania zegarków. Ich napięcie nominalne to 1,55 V. Działanie polegające na redukcji tlenku srebra do srebra metalicznego zapewnia niezmienne parametry przez cały czas pracy.
Ogniwa srebrowe wykorzystywane do zasilania zegarków
Mogą prawidłowo pracować w temperaturach od –10°C. Ogniwa srebrowe oznaczane są często literami SR, np. SR721, ale wiele firm stosuje rozmaite własne oznaczenia cyfrowe lub literowo-cyfrowe.
Mają napięcie nominalne 1,4 V, a w opisach często występuje określenie „zinc-air” lub „Zn-air”. Substancjami czynnymi są metaliczny cynk i… tlen z atmosfery. Stosowane są głównie w aparatach słuchowych. Wszystkie takie ogniwa mają otworek zaklejony naklejką, którą trzeba zerwać przed rozpoczęciem pracy. Tlen zaczyna reagować i bateria już po kilku sekundach jest gotowa do pracy.
Baterię „uśpioną”, z zaklejonym otworkiem, można przechowywać kilka lat z uwagi na bardzo małe samorozładowanie. Takie baterie powietrzno-cynkowe są poniekąd tzw. ogniwami paliwowymi i mają pojemność większą niż manganowe, srebrowe i rtęciowe tej samej wielkości. Przykładowe oznaczenia tych baterii to PR44, PR536.
Ich angielskie określenie to mercury batteries. Mają napięcie nominalne 1,35 V. Prąd jest wytwarzany przez redukcję tlenku rtęci do metalicznej rtęci, co zapewnia stałość napięcia i rezystancji wewnętrznej w czasie. Pomimo licznych zalet nie są one już produkowane z uwagi na zawartość toksycznego materiału czynnego – tlenku rtęci. Przykładowe oznaczenia takich baterii to MR44, MR6.
Uwaga! Akumulatory i najpopularniejsze baterie litowe mają napięcie 3 V lub więcej. Koniecznie trzeba jednak wiedzieć, że dostępne, choć bardzo mało popularne, są też 1,5-woltowe jednorazowe ogniwa litowo-żelazowe (Li/FeS2). Mają dobre niektóre parametry, ale są bardzo rzadko stosowane i większość użytkowników nie będzie mieć z nimi do czynienia.
Przykładowe ogniwa litowe: Energizer Ultimate Lithium
Napięcie nominalne takich ogniw wynosi od 3 do 3,6 V, zależnie od technologii wykonania. Najczęściej spotyka się jednorazowe baterie litowe mające kształt monety (guzika). Dostępne są też 3-woltowe „paluszki” R6. O ile litowe ogniwa Li/FeS2 mają napięcie około 1,5 V, o tyle też zawierające siarkę ogniwa z chlorkiem tionylu (SOCl2) mają napięcie nominalne aż 3,6 V. Mało popularne, ale dostępne na rynku są jednorazowe baterie litowe o jeszcze innych kształtach.
Popularne baterie litowo-manganowe CR2032
Zaletami są: wysokie, „podwójne” napięcie oraz możliwość pracy w temperaturze nawet –20°C. Takie ogniwa, opierające swe działanie na związkach litu, mają wiele korzystnych właściwości, w tym bardzo małe samorozładowanie. W temperaturze pokojowej wynosi ono tylko 0,5–4% na rok przechowywania, a dopiero w temperaturze podwyższonej do +70°C wzrasta do 10–15% na rok.
Warto również wiedzieć, że niektóre ogniwa litowe mają dużą rezystancję wewnętrzną (małą wydajność prądową) i nie mogą być obciążone znacznym prądem. Jednorazowe baterie litowe sprawdzają się jednak świetnie, gdy zachodzi potrzeba zasilania energooszczędnych urządzeń nawet przez 10–15 lat.
Naukowcy w ciągu ostatnich 150 lat przebadali mnóstwo materiałów i zaproponowali także różne inne jednorazowe ogniwa – źródła prądu oraz akumulatory. Niektóre rozwiązania miałyby nawet lepsze właściwości od wyżej wymienionych. Pewne wersje pojawiły się na rynku, lecz albo znikły, albo sprzedawane są w znikomych ilościach. Przykładem mogą być akumulatory niklowo-żelazowe lub różne odmiany ogniw srebrowych.
W grę wchodzą bardzo ważne względy finansowe, na które składają się dostępność i koszt materiałów, a także skomplikowanie i koszty procesu produkcji.
Inna ważna sprawa to ochrona zdrowia – np. skądinąd dobre i niedrogie ogniwa rtęciowe zostały wycofane z rynku ze względu na toksyczność. Zdominowały rynek te rodzaje ogniw, które przy niskiej cenie zapewniają względnie dobre parametry.
Szczegółowe omówienie parametrów i różnic między poszczególnymi rodzajami baterii wymagałoby kilku artykułów. Jednak ogólne pojęcie o podstawowych różnicach dają przybliżone charakterystyki rozładowania poszczególnych rodzajów baterii jednorazowych o jednakowej wielkości.
Spadek napięcia podczas rozładowywania baterii różnego typu: a – węglowo-cynkowe, b – alkaliczne, c – srebrowe, d – rtęciowe, e – powietrzno-cynkowe, f – litowe
Warto zwrócić uwagę, że np. napięcie ogniw srebrowych i powietrzno-cynkowych w trakcie pracy bardzo niewiele się zmienia, natomiast w przypadku popularnych ogniw manganowych i alkalicznych zmiany są znaczne, co jest dużą wadą.
Jeżeli chodzi o ilość dostępnej energii, a dokładniej – o (grawimetryczną) gęstość energii, największą mają ogniwa powietrzno-cynkowe (rzędu 400–500 Wh/kg, teoretycznie do 1350 Wh/kg), natomiast najmniejszą ogniwa węglowo-cynkowe (rzędu 40–70 Wh/kg). Aktualnie najlepsze ogniwa alkaliczne wykazują gęstość energii ponad 150 Wh/kg. Lepsze, ale droższe, są litowe (ponad 200 Wh/kg). Postęp techniczny powoduje, że ogniwa mają coraz większą pojemność i gęstość energii.
Zależność gęstości energii od temperatury dla różnych ogniw
Dla użytkownika kluczowe znaczenie ma głównie stosunek pojemności do ceny, a jeszcze bardziej – zawartej w bateriach energii do ceny. Tu występuje znaczne zróżnicowanie. Generalnie najlepszy stosunek pojemności do ceny mają ogniwa alkaliczne i węglowo-cynkowe, stąd ich popularność mimo gorszych właściwości. Coraz lepszy stosunek energii do ceny mają też taniejące ogniwa litowe.
W ofercie handlowej nie ma dużych ogniw srebrowych i powietrzno-cynkowych, bo byłyby zbyt drogie, są tylko małe baterie guzikowe (produkowane są jednak np. ogniwa powietrzno-cynkowe AA i AAA). Natomiast ogniwa alkaliczne mają różne rozmiary – od dużych ogniw LR20 po małe ogniwa guzikowe.
Niezależnie od typu i rozmiaru używanych przez nas baterii ważne jest, aby wiedzieć, gdzie je wyrzucać. Z uwagi na przepisy obowiązujące w całej Unii Europejskiej na pewno nie do zwykłego śmietnika, ponieważ niektóre substancje zawarte w bateriach mogą być szkodliwe dla środowiska (a już szczególnie, jeśli trafimy na ogniwa zawierające rtęć lub kadm).
Gdzie można wyrzucać zużyte baterie? Na szczęście od pewnego czasu prawidłowa utylizacja zużytych baterii nie jest kłopotliwym zadaniem. Możemy skorzystać z przeznaczonych do tego pojemników, które znajdują się w miejskich instytucjach – mowa tutaj o urzędach czy np. szkołach. Najwygodniejszym sposobem na wyrzucenie baterii będzie jednak zapewne skorzystanie z odpowiednich pojemników, które znajdują się we wszystkich sklepach wielkopowierzchniowych.
Gdzie wyrzucać baterie? Tylko do specjalnie opisanych pojemników
We wszystkich gminach znajdują się tzw. punkty selektywnej zbiórki odpadów komunalnych (PSZOK), do których można zawozić różne niebezpieczne odpady, m.in. zużyte baterie i akumulatory.
Sprawa trwałości i utylizacji ma jeszcze inny aspekt – zarówno baterie cynkowo-węglowe, jak i alkaliczne mogą ulec rozszczelnieniu, co skutkuje wylaniem elektrolitu i korozją, a w efekcie uszkodzeniem elementów zasilanego urządzenia. Dużo rzadziej przytrafia się to ogniwom alkalicznym, częściej – tanim węglowym.
Problem z wyrzucaniem baterii jest jeszcze większy, gdy ulegną one rozszczelnieniu
To poważny problem praktyczny, dlatego w miarę możliwości baterie należy wyjmować z urządzenia, które dłuższy czas nie jest zasilane. Jeśli jednak przydarzy nam się taka przykra sytuacja, to po wyjęciu i zutylizowaniu baterii należy jak najstaranniej oczyścić styki urządzenia i płytkę drukowaną z osadu chemikaliów, które mogą spowodować szybkie uszkodzenie połączeń (skuteczne czyszczenie to oddzielny temat – szeroki i niełatwy).
W sprzedaży dostępnych jest wiele typów baterii, jednak w praktyce najczęściej spotykamy się z bateriami alkalicznymi lub węglowo-cynkowymi. Nawet gdy musimy liczyć się z każdym groszem, bez wahania warto wybierać te trochę droższe, czyli baterie alkaliczne, bo mają dużo większą pojemność. Finalnie w zdecydowanej większości przypadków ich eksploatacja okazuje się bardziej opłacalna niż na pozór tańszych ogniw węglowych!
W tym artykule omówiliśmy rodzaje baterii oraz podstawowe różnice między nimi. Celowo nie było tutaj praktycznie żadnych informacji o ich rozmiarach i oznaczeniach (np. AA, AAA, AAAA itd.). Zagadnienie to jest na tyle obszerne, że powstanie na ten temat osobny tekst.
Piotr Górecki
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
Dołącz do 20 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...