Borys Shevchuk / 123RF Sodobni svet v vsej svoji veličini in zapletenosti odteče šokantno prvinsko silo, ki je tekla skozi človeška telesa že dolgo preden je bil zgrajen prvi motor. Elektrika, tista sila, ki človeška srca zadržuje že toliko časa, kolikor je bilo človeških src, danes teče po civilizacijskih žilah in poganja nebotičnike, v katerih delamo, in telefone v žepih.
Čeprav so veliki proizvajalci električne energije, kolosi, kot je Hooverjev jez, morda najbolj visceralno impresivni, je človeško obvladovanje električnih tokov morda najbolj impresivno v obliki baterij. Nekatere dovolj majhne, da sedijo na konici prsta, baterije napajajo številne naprave, ki jih uporabljamo vsak dan: telefone, prenosnike, svetilke, ure. Že desetletja so vseprisotni del življenja, a koliko izmed nas ve, kako delujejo?
Pod njihovo preprosto zunanjostjo pa preprost mehanizem
Tipična alkalna baterija bo poznana mnogim, vsaj od zunaj. Na splošno je baterija zaprta v kovinski valj, ima dva konca, označena s + (pozitivno) in - (negativno). Oba konca akumulatorja sta sponki, povezani z elektrodama v akumulatorju: pozitivni konec se poveže s katodo, negativni konec pa z anodo. Ločilo v bateriji preprečuje, da bi se oba dotaknila, hkrati pa omogoča pretok električne energije med njima. Med obema koncema je elektrolitska pasta, snov, ki omogoča pretok električnega toka.
Elektroni želijo naravno teči z negativnega konca (kjer je odvečnih elektronov) na pozitivni konec (kjer so odprti prostori za elektrone), vendar tega ne morejo storiti, ker jim ločilo preprečuje pot. S povezovanjem pozitivnega in negativnega konca stranke se oblikuje vezje, ki omogoča pretok električnega toka.
Ko je baterija priključena na napravo, na primer svetilko ali daljinski upravljalnik, se vzpostavi vezje in v anodi in katodi pride do kemičnih reakcij. V anodi pride do reakcije oksidacije, kjer se ioni združijo z anodo in sprostijo elektrone. V katodi pride do redukcijske reakcije, pri čemer ioni in elektroni tvorijo spojine. V teh oksidacijsko-redukcijskih reakcijah elektroni prehajajo iz negativno nabite anode na pozitivno nabito katodo.
V alkalni bateriji je anoda izdelana iz cinka, katoda pa je manganov dioksid. Elektrode v teh baterijah sčasoma erodirajo. Polnilne baterije so običajno izdelane iz litij-ionskih. Ko je priključen na polnjenje, se tok električne energije obrne in vrne anodo in katodo v prvotno stanje.
Kratka zgodovina baterij
Najzgodnejši predmet, podoben bateriji, je bil morda zgrajen že v 3. stoletju našega štetja v obliki glinenih loncev, ki jih je leta 1938 odkril nemški slikar Wilhelm König blizu Bagdada. Znotraj vsakega lonca je bila železna palica, ovita v list bakra. V kozarcih je bilo dovolj prostora za nekakšno raztopino elektrolita, zato je König verjel, da so lonci galvanske celice, ki jih prebivalci Sašanskega cesarstva verjetno uporabljajo za galvanizacijo, postopek uporabe električnega toka za izdelavo kovinske prevleke.
Seveda poskusi, namenjeni poustvarjanju teh naprav (vključno s tistim v priljubljeni oddaji MythBusters) so ugotovili, da lahko zasnova povzroči majhno napetost, ki je dovolj velika za galvanizacijo. Kljub temu pa danes večina arheologov verjame, da loncev v obdobju, ko so bile zgrajene, niso uporabljali kot baterije, temveč kot posode za shranjevanje svetih svitkov. Kovinske prevleke v obdobju gradnje kozarcev so bile narejene s postopkom pozlačevanja, zato se zdi Königova teorija galvanizacije mehka. Ne glede na namen, za katerega so bile Bagdadske baterije zasnovane, so vsaj zanimiv, nenamerni proto-akumulatorji, zgrajeni že dolgo, preden bi znanstveniki bolje razumeli električne tokove.
Prvo pravo baterijo je leta 1800 zgradil Alessandro Volta. V svojih časih kot profesor na univerzi v Paviji je Volta sodeloval z Luigijem Galvanijem, biologom, ki je med seciranjem žabe odkril, da bi se, ko se je njegov skalpel dotaknil medeninastega trnka, ki je držal žabo, njene noge trzale. Galvani (ki bi navdihnil besedo "pocinkanje") je verjel, da je to dokaz električne sile, ki oživlja življenje, ki jo je poimenoval "živalska elektrika". Volta je reproducirala Galvanijev poskus, vendar je prišla do drugačnega zaključka: prav povezava med kovinskim skalpelom in kavljem, ne življenjska sila žabe, pa je povzročila električni tok.
Voltove raziskave so ga pripeljale do tega, da je ustvaril voltovski kup, zlagal diske cinka in srebra, med njimi pa je bil namočen karton v slani vodi. Če je zgornji in spodnji disk povezal z žico, je Volta lahko proizvedla električni tok in postavila temelje za prihodnje baterije. V počastitev Voltinega dela je merska enota za električni potencial znana kot volt.
Baterija, kakršno poznamo danes, je razmeroma nov izum. V petdesetih letih prejšnjega stoletja je inženir Lewis Urry, ki je delal za Union Carbide na liniji akumulatorjev Eveready, dobil izjemno vsakdanjo nalogo: izdelati trajnejše baterije za igrače. Namesto da bi izboljšal obstoječo zasnovo, kot so pričakovali njegovi šefi, se je Urry odločil, da bo ustvaril novo baterijo in se na koncu odločil za mešanico manganovega dioksida in cinka v prahu. Tako je Urry ustvaril moderno alkalno baterijo, ki je sposobna napajati naprave eksponentno dlje kot prejšnje komercialne baterije. Čeprav so prve alkalne baterije na trg prišle leta 1959, jih pogoste izboljšave ohranjajo tudi do danes.
