Stretáme sa s nimi na každom kroku. Batérie, ako ich poznáme dnes, však od svojho zrodu prešli dlhú cestu.
Batérie, ako ich poznáme dnes, však od svojho zrodu prešli dlhú cestu. Zdroj: iStockphoto.com
Batérie rôznej veľkosti, kapacity a sily sú dnes každodennou súčasťou našich životov, stretávame sa s nimi doslova na každom kroku. Poznáte príbeh ich zrodu?
Archeológovia sú presvedčení o tom, že prvé batérie existovali už pred viac než 2000 rokmi. Dosvedčuje to súbor artefaktov, ktoré našiel v roku 1936 rakúsky archeológ Wilhelm König neďaleko Bagdadu v Iraku.
Takzvaná bagdadská batéria pozostáva z 13 centimetrov vysokého tela zo žltej hliny. Vnútri nej sa nachádza medený valec, ktorého okraj je zletovaný pomocou olova presne tak ako dnešné monočlánky. Spodná časť valca je uzavretá medeným diskom a všetko je zaizolované materiálom veľmi podobným asfaltu. Ďalšia vrstva asfaltu izoluje tiež vrchnú časť nádoby. Ide o akýsi štopeľ, ktorý drží na svojom mieste železnú tyč zapustenú do stredu medeného valca.
Bagdadská batéria. Zdroj: Wikimedia Commons
Tyč, ktorú v jaskyni König so svojím tímom našiel, bola silne skorodovaná. Výskumníci podrobili jej zloženie testom, ktoré potvrdili prítomnosť kyselinovej zložky, pravdepodobne vína alebo vínneho octu.
Batérie zostrojené približne v roku 140 pred naším letopočtom sa mohli stať archeologickou senzáciou 20. storočia. Vtedajšia silne kresťanská doba však nález neprijala a Königova teória, ktorá hovorila, že môže ísť skutočne o batérie, bola zosmiešňovaná.
V roku 1940 overil pravdivosť Königovej teórie americký inžinier Williard F. M. Gray z General Electric High Voltage Laboratory v Massachusetts, keď na základe náčrtov nemeckého raketového vedca Willyho Leya zostrojil presnú repliku batérie. Miesto ovocnej šťavy použil sírny roztok. Batéria, ktorú testoval, napokon generovala napätie 0,5 V. Senzácia sa však opäť nekonala, svet sa totiž ocitol vo vojne, a tak objav na 30 rokov upadol do zabudnutia.
Pokusy o zhotovenie prenosného a efektívneho zdroja energie
Prvý zámerne konštruovaný kondenzátor, ktorý v 18. storočí slúžil ako zásobník elektrického náboja pri experimentoch s elektrinou, nesie názov leidenská fľaša. Fľaša bola pomenovaná podľa univerzity v holandskom meste Leiden. Pôvodne išlo o sklenenú nádobu naplnenú vodou, do ktorej bol zavedený kovový drôt cez zátku. Voda tvorila jednu elektródu kondenzátora, sklo malo úlohu dielektrika. Ako druhá elektróda poslúžila ruka, ktorá počas experimentov fľašu držala.
Neskôr sa konštrukcia leidenskej fľaše zdokonalila, vnútorný a vonkajší povrch sklenenej nádoby sa oblepil vodivým materiálom, sklo malo úlohu dielektrika, ktoré oddeľovalo vodivé vrstvy. Z vnútornej vodivej vrstvy pritom viedol hrdlom fľaše smerom von vodič zakončený kovovou guľôčkou. Leidenské fľaše sa obvykle nabíjali elektrostatickou indukciou.
Pomocou leidenskej fľaše dokázal Benjamin Franklin elektrickú povahu blesku. Vodivým vláknom upevneným na šarkanovi, ktorého vypustil do búrkového mraku, zaviedol atmosférickú elektrinu a nabil ňou leidenskú fľašu, od ktorej potom preskakovali iskry.
Pomocou leidenskej fľaše dokázal Benjamin Franklin elektrickú povahu blesku. Zdroj: Frank Beacham’s Journal
Najväčšiu zásluhu má však na tom, že experimentálne dokázal elektrickú povahu blesku. Vodivým vláknom upevneným k šarkanovi, ktorého vypustil do mračna, zviedol atmosférickú elektrinu a nabil ňou leidenskú fľašu, odkiaľ potom preskakovali iskry.
Pre súbor nabitých sklenených dosiek zaviedol v roku 1748 pojem batéria.
Prvé prototypy dnešných batérií
Taliansky lekár a fyzik Luigi Galvani v roku 1771 (podľa niektorých až o deväť rokov neskôr, teda v roku 1780) zistil, že ak svaly mŕtvych žiab zasiahne iskra zo zdroja statickej elektriny, stiahnu sa. Neskôr si všimol, že sa svaly sťahujú aj vtedy, keď sa ich dotýka bimetalickým oblúkom. Tento fyziologický jav dostal názov galvanizmus. Galvani sa domnieval, že objavil akýsi zvláštny druh živočíšnej elektriny, elektrické fluidum, ktoré sa svalmi prenáša prostredníctvom nervov, pričom samotné svaly túto elektrinu aj generujú. Pre Galvaniho bola elektrina neoddeliteľná od živých tvorov.
Alessandro Volta, Galvaniho súčasník a oponent, považoval takýto vitalistický výklad za nesprávny. Vyslovil domnienku, že živočíšna elektrina má fyzikálny základ a jej zdrojom a príčinou je práve chemická reakcia dvoch kovov.
Úsilie dokázať svoju koncepciu priviedlo Voltu neskôr k zostrojeniu Voltovho stĺpa – prvého elektrického článku –, ktorý generoval elektrinu prostredníctvom chemickej reakcie. Neskôr Volta nazval podľa Galvaniho aj generovanie jednosmerného prúdu chemickou reakciou. Vďaka tomu sa Galvaniho meno stalo neodmysliteľnou súčasťou dejín elektriny. Bez galvanického spojenia a galvanických článkov (batérií) si dnes nevieme predstaviť život.
V roku 1800 vynašiel Volta prvú elektrickú batériu, ktorá dokázala vytvoriť stály a spoľahlivý elektrický prúd. Pozostávala zo striedavých diskov zinku a medi, oddelených kusom kartónu namočeného do slaného roztoku. Na prenášanie elektriny na väčšiu vzdialenosť slúžil kovový vodiaci oblúk.
O tridsaťšesť rokov neskôr hľadal britský chemik a meteorológ John Frederic Daniell spôsob, ako odstrániť v galvanickom článku problém s vodíkovými bublinami, až napokon prišiel s takzvanou Daniellovou bunkou – článkom zloženým z medeného hrnca, ktorý bol naplnený roztokom síranu meďnatého. Do neho ponoril neglazúrovanú hlinenú nádobu s kyselinou sírovou a zinkovými elektródami. Daniellova bunka posunula technológiu raných batérií výrazne vpred.
V roku 1939 vyvinul William Robert Grove prvú palivovú bunku, ktorá dokázala vyrobiť elektrickú energiu kombináciou vodíka a kyslíka. Do roku 1842 vytvorili vynálezcovia viacero vylepšení vtedajších batérií, ktoré používali na výrobu energie kvapalné elektródy. Najvýraznejšie sa v tomto smere do dejín zapísali nemecký chemik Robert Wilhelm Bunsen a waleský fyzik a sudca William Robert Grove.
Pozrite si
Vývoj batérií pokračoval prvou praktickou akumulátorovou olovenou batériou, ktorú bolo možné nabíjať. Batéria, ktorú vymyslel v roku 1859 francúzsky vynálezca Gaston Plante, sa dnes používa predovšetkým v automobiloch.
V roku 1866 sa do dejín batérie zapísal svojím patentom aj francúzsky inžinier Georges Leclanche. Článok, ktorý vynašiel, obsahoval vodivý roztok chloridu amónneho, uhlíkovú katódu, depolarizátor z oxidu manganičitého a anódu zo zinku. Neskôr bol prepracovaný do dnešnej podoby zinko-uhlíkových článkov.
Do konca 19. storočia si ešte J. A. Thiebaut patentoval prvú batériu s negatívnou elektródou a poréznou nádobou umiestnenou v zinkovom pohári, Carl Gassner vylepšil Leclancheov článok a zostrojil prvú komerčne úspešnú zinko-uhlíkovú batériu s menšou pravdepodobnosťou prasknutia či vytečenia a Waldmar Jungner prišiel s prvou nikel-kadmiovou nabíjateľnou batériou.
Batérie 20. storočia
Už počas prvého roka 20. storočia vynašiel Thomas Alva Edison alkalickú akumulátorovú batériu. Anódovým materiálom (-) alkalickej bunky bolo železo a katódovým (+) oxid nikelnatý.
O necelé polstoročie neskôr, presnejšie v roku 1949, vyvinul kanadský chemický inžinier a vynálezca Lewis Frederick Urry počas práce pre spoločnosť Eveready Battery dva druhy batérií, lítiovú a päť- až osemkrát trvácnejšiu alkalickú batériu.
Solárna batéria
Prvú solárnu batériu majú od roku 1954 na konte Daryl Chapin s kolegami z Bell Labs Geraldom Pearsonom a Calvinom Fullerom. Výskumníci vytvorili rad niekoľkých pásikov kremíka (každý približne veľkosti žiletky), umiestnili ich na slnečné svetlo, zachytili voľné elektróny a transformovali ich na elektrický prúd. Už rok nato sa solárna batéria stala súčasťou telefónnych nosičov. Dnes poháňajú kremíkové solárne články široké spektrum zariadení od ručných kalkulačiek až po Mars rover.
Keď je palivom vodík
Čo značí pojem vodíková batéria?
Pod pojmom vodíková batéria sa myslí elektrochemické zariadenie schopné premieňať chemickú energiu uloženého paliva na elektrickú energiu. Palivom, ktoré sa ukladá na neskoršiu transformáciu na elektrickú energiu, je v tomto prípade vodík.
Vzniku vodíkových batérií priali už sedemdesiate roky 20. storočia. Nikel-vodíkovú batériu si vo februári 1971 patentovali Alexander Ilich Kloss a Boris Toselevič Tsenter. Išlo o nabíjateľný elektrochemický zdroj energie na báze niklu a vodíka. Vodík, ktorý batéria využívala v plynnej forme, bol uložený v takzvanom tlakovom článku.
Nikel-vodíková batéria sa po prvý raz použila v roku 1977 na palube družice s navigačnou technológiou amerického námorníctva-2 (NTS-2). V súčasnosti sú ich hlavnými výrobcami Eagle Picher Technologies a Johnson Controls, Inc.
O vodíku sa dnes hovorí ako o palive budúcnosti. V súčasnosti sa vodíkový pohon využíva najmä v automobilovom priemysle. Najskôr sa zrejme uplatní v osobných vozidlách, no už v tejto chvíli existujú projekty lietadiel, nákladiakov, autobusov a vlakov, ktoré by mohli byť poháňané práve ním.
O batériách a ich využití v elektromobilite prednášal tento týždeň vo Vedeckej cukrárni v Centre vedecko-technických informácií SR doc. Ing. Miroslav Mikolášek z Fakulty elektrotechniky a informatiky STU v Bratislave. Video z prednášky vám prinesieme už v pondelok.
Zdroje: hobbyportal.sk, batteries.co.za, The National Inventors Hall of Fame, Wikipedia (1, 2, 3, 4), Atkins, P.W.: Fyzikálna chémia, STU Bratislava, 1999
