Czym są baterie i jak działają?

Nie da się ukryć, że wynalezienie baterii przyczyniło się do przełomu we współczesnym świecie.

Alessandro Volta, włoski naukowiec, gdy w 1799 roku rozpoczął pracę nad budową pierwszego ogniwa galwanicznego, wykorzystał fakt, iż ładunek elektryczny potrafi przemieszczać się pomiędzy różnymi substancjami.

Istnieją różne schematy budowy baterii, jednak ich podstawowa zasada działania i konstrukcji jest niezmieniona w żadnej z tych wersji. Każda posiada dwie elektrody: pierwszą, o nazwie anoda (przesyła ona ładunki ujemne czyli elektrony) oraz drugą – o nazwie katoda. Kiedy zostaną one połączone w jeden obwód, elektrony zaczną płynąć i powstanie prąd. Człowiek wykorzystuje go do przeróżnych celów – oświetlania pomieszczeń lub do mycia zębów elektryczną szczoteczką.

Na czym polega działanie baterii?

Ruch elektronów i przemieszczanie się ich z jednej substancji na drugą nie wystarcza. Jak wiemy z lekcji fizyki, ładunki jednoimienne odpychają się, więc określona ilość elektronów zgromadzonych na katodzie uniemożliwiłaby przyłączenie się kolejnych.

Zatem, aby wszystko pracowało prawidłowo, w środku baterii następuje proces wyrównywania ładunków, gdyż jony dodatnie przesuwają się od anody do katody poprzez elektrolit (płynny, żelowy lub stały). To właśnie dzięki elektrolitowi bateria może działać – w nim przemieszczają się jony dodatnie wtedy gdy w obwodzie zewnętrznym przepływają elektrony.

Dla przykładu, bakterie litowo – jonowe, które używane są do ładowania laptopów i telefonów komórkowych, posiadają grafitową anodę. Jest ona pokryta atomami litu, katoda zaś wytworzona jest z substancji powstającej na bazie tego właśnie pierwiastka. Gdy bateria pracuje, elektrony z atomów litu z anody, docierają do katody poprzez zewnętrzny obwód. Po oddaniu elektronów atomy litu mają ładunek dodatni, są więc przyciągane do elektorów, które gromadzą się na katodzie.

Przemieszczają się one tam dzięki temu, że potrafią przepływać przez elektrolit. Fakt, że jony się poruszają, powoduje, że następuje naruszenie równowagi ładunków i istnieje możliwość dalszego przepływu prądu elektrycznego – przynajmniej aż do czasu wyczerpania litu na anodzie.

Ładowanie baterii – co to takiego?

Ładowanie baterii jest procesem odwrotnym. Napięcie elektryczne, które jest przyłożone do elektrod, powoduje, że elektrony oraz jony litu poruszają się w kierunku grafitu. Proces ten powoduje nagromadzenie energii.

Alessandro Volta wynalazcą baterii

Podczas gdy Volta konstruował pierwszą baterię, próbował skopiować działanie narządów ryb z rodziny drętwowatych. Zwierzęta te wytwarzają prąd elenktyczny. Najprawdopodobniej naukowiec stosował metodę prób i błędów, nim ostatecznie stworzył baterię. W końcu zdecydował się on na użycie metalowych elektrod i mokrej tektury jako elektrolitu. W ówczesnych mu czasach (rok 1799) nikt nawet nie śnił o czymś takim jak atomy, jony czy elektrony.

Poza tym przypuszcza się, że Volta  nie wiedział, że w jego ogniwie ładunki dodatnie przemieszczały się w kierunku przeciwnym do „elektrycznego przepływu” na zewnątrz układu. Tak naprawdę, minęło aż 100 lat zanim naukowcy osiągnęli porozumienie co do zasady działania baterii…