Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 12/2016 vyšlo tiskem
7. 12. 2016. V elektronické verzi na webu od 6. 1. 2017. 

Téma: Měření, měřicí přístroje a měřicí technika; Zkušebnictví a diagnostika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu (2. část – dokončení)

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Co je to elektrochemický zdroj

číslo 10/2006

Co je to elektrochemický zdroj

Téměř každý člověk, který je běžným členem současné industrializované, moderně fungující společnosti, je obklopen kromě mnoha dalších také elektrotechnickými prvky. Mezi nimi jsou často svým rozměrem i nenápadné, významem však důležité napájecí součástky, jež v sobě dokážou nashromáždit elektrickou energii – akumulátory.

Využití akumulátorů je velmi široké – v průmyslu i v běžném uživatelském prostředí se pomocí akumulátorů startují spalovací motory automobilů, využívají se záložní a napájecí stanice výpočetní techniky nebo se používají mnohé domácí spotřebiče, které je nutné napájet nezávisle na pevné distribuční síti. Přímo záplava malých akumulátorů je obsažena např. v přenosných a mobilních komunikačních přístrojích a v zařízeních informačních technologií.

Obr. 1.

Obr. 1. Akumulátory a baterie

Protože se akumulátory nejrůznějšího provedení staly běžnou součástí našeho života, zjednodušeně a ne zcela správně používá většina lidí pro jejich identifikaci pojem „baterie„. Pod toto označení tak spadá vše, co je čas od času nutné v podobě designově roztomilých válečků nebo krabiček či pecek zapouzdřených v kovu vkládat, vsunovat, zamačkávat či přiklápět do holicích strojků, hodinek, přehrávačů, hraček, fotoaparátů či rozhlasových přijímačů, aby tato zařízení svítila, vydávala zvuky, zaznamenávala, komunikovala displeji a vůbec fungovala.

Základní pojmy

Baterie (elektrochemická, elektrická baterie) je v běžné praxi pojem používaný pro soustavu („baterie„) dvou nebo více elektrochemických článků, které jsou vzájemně propojeny a jsou využívány jako zdroj elektrické energie pro jedno vybití.

Elektrickou energii baterie akumuluje ve formě chemické energie. Elektrickou „baterii„ lze použít jen na jedno časově omezené vybití a pro chemické složení ji nelze dalším nabíjením dobít a opakovaně použít.

„Baterie„ je tedy soustava primárních článků.

Akumulátor (akumulátorová baterie) je soustava elektrochemických článků, které stejně jako „baterie„ elektrickou energii akumulují ve formě chemické energie. Avšak na rozdíl od jednorázově použitelných „baterií„ jsou akumulátory schopny vícenásobného vybití a opětovného nabití, a to vnějším elektrickým proudem, který reakční produkty vzniklé postupným vybíjením znovu převede na původní aktivní reaktanty.

„Akumulátor„ je tedy soustava sekundárních článků.

Elektrochemický článek

Elektrochemický článek (galvanický článek) je základní jednotka elektrochemického zdroje elektrické energie. Článek je tvořen prostorově oddělenými elektrodami – kladnou a zápornou – a vhodným iontově vodivým elektrolytem, který je ve styku s oběma uvedenými elektrodami.

Elektrolyt je látka v tekuté nebo plynné fázi, která obsahuje pohyblivé ionty s kladným nábojem (kationty) a ionty se záporným nábojem (anionty). Pohyblivé ionty jsou příčinou iontové vodivosti a umožňují vedení elektrického proudu.

Chemické složení elektrod a elektrolytu je příčinou chemické reakce. Protože při této reakci vzniká „tok elektronů – elektrický proud„, jde o elektrochemickou reakci.

Obr. 2.

Obr. 2. Luigi Galvani

Chemické složení elektrod musí být odlišného charakteru: jedna musí být oxidačním činidlem, druhá redukčním činidlem (reaktantem). Elektrody mohou být tuhé, kapalné i plynné látky.

Záporná elektroda je při vybíjení katodou, při nabíjení anodou. Aktivní hmotou je reaktant, který při vybíjení článku oxiduje a uvolňuje elektrony. Reaktant má záporný elektrodový potenciál E°A. Příkladem je zinková elektroda (Zn).

Kladná elektroda je při vybíjení anodou, při nabíjení katodou. Aktivní hmotou elektrody je reaktant, který při vybíjení přijímá uvolněné elektrony, a tudíž se redukuje. Reaktant má kladný elektrodový potenciál E°K. Příkladem je stříbrná elektroda (Ag).

Aktivní hmota je materiál, který při vybíjení článku chemickou reakcí dodává elektrickou energii a nabíjením se vrací do svého původního stavu.

Elektrický proud může v elektrochemickém článku procházet dvěma možnými směry – přirozeným, od kladné elektrody k záporné (stav při vybíjení, používání článku jako zdroje elektrické energie), a vynuceným, od záporné elektrody ke kladné, pod vnuceným vlivem vnějšího napětí (stav při nabíjení článku).

Od přírodní elektřiny k vynálezu zdroje napětí

Lidstvo se do okamžiku objevu elektrochemického článku (rok 1799, popř. 1800, Alessandro Volta, Itálie) většinou setkávalo s elektřinou mimo pole systematického badatelského zájmu. Ve starověku byl kromě jantaru znám ještě jeden zdroj elektřiny – elektrické ryby. Elektrický rejnok je schopen vytvořit na povrchu svého těla napětí několik stovek voltů, kterým může ochromit i velkého živočicha. V povodí jihoamerické řeky Orinoko žije úhoř elektrický (electrophorus electricus), dlouhý přibližně 2,5 m, který ohrožuje své okolí napětím až 600 V! Antický svět znal pravděpodobně také afrického sumce elektrického, který žije i v Nilu a produkuje napětí až 200 V. Elektrické šoky způsobené touto rybou údajně používali tehdejší lékaři k léčbě nervových onemocnění.

Pokusy se statickou elektřinou, třecími elektriky a leidenskými lahvemi se v 17. a 18. století staly velmi populárními i mezi příslušníky nejvyšší šlechty. Ve Francii těmito pokusy proslul abbé Nollet. Královský dvůr bavil např. tím, že přenesl elektrický náboj z leidenské láhve na celou setninu vzájemně spojených královských gardistů. Při každém proudovém nárazu následovalo komické poskočení všech 180 vojáků.

Výzkumem atmosférické elektřiny a elektrické povahy blesku se zabývali Benjamin Franklin (od roku 1752, USA) a český badatel Prokop Diviš (roku 1754 hromosvod).

Italský přírodovědec a lékař (obr. 2) Luigi Galvani (1737–1798) proslul svými pokusy se statickou elektřinou a žabími stehýnky. Dospěl k mylnému závěru, že ve svalech je živoišná elekt přičemž kladný pól je v nervech a záporný pól ve svalech, a že stažení svalu (ekvivalent elektrického výboje) vzniká při spojení obou pólů kovovým vodičem.

Obr. 3.

Obr. 3. Voltův sloup

Zásadní zvrat nastal roku 1800 (podle jiných zdrojů již 1799), kdy italský badatel Alessandro Volta (1745–1827) sestavil první elektrochemický článek, tzv. Voltův sloup, prototyp galvanického článku (obr. 3). Volta použil měděné, později stříbrné elektrody ve tvaru disku, proložené lepenkovými kotoučky nasáklými vodou. Napětí článku bylo pouze 0,2 až 0,4 V, ale byl to zdroj napětí a Voltův objev znamenal otevřené dveře nové éry nauky o elektřině.

Voltův článek a později i články Daniellův, Groveho, Bunsenův, Grenetův a Poggendorffův byly představiteli primárních článků – nebylo možné je opětovně elektricky nabít.

Mnoho pokusů badatelů najít možnost opakovaně nabíjet vybitý článek předčil roku 1859 geniální objev francouzského fyzika Raymonda Louise Gastona Plantého (1834–1889). Jeho článek byl sestaven ze dvou olověných desek oddělených plátěným separátorem, které byly ponořeny do roztoku kyseliny sírové. Při nabíjení se na kladné elektrodě chemickou reakcí vytvořila vrstvička oxidu olovičitého (PbO2), na záporné olověná houba. Tento článek bylo možné znovu nabíjet elektrickým proudem z vnějšku, a přestože první takto „sekundární“ článek připravil již v roce 1802 J. W. Richter, Plantého článek byl první využitelný šířeji než pouze jako laboratorní kuriozita. Jeho napětí bylo 2 V. Zdokonalení později navrhli C. Faure, E. Volckmar a G. Sellon, ale Plantého princip zůstal nepřekonán dodnes.

V osmdesátých letech 19. století se olověné akumulátory vyráběly sériově a k jejich rozšíření přispěl i rozvoj elektrických generátorů (roku 1866 dynamo, W. Siemens – Německo), jimiž bylo možné akumulátory rychle a pohodlně nabíjet. Technický pokrok ve 20. století přinesl jejich další zdokonalení a olověné akumulátory zůstávají i dnes hlavními zdroji elektrické energie pro startování spalovacích motorů.

Na přelomu 19. a 20. století patentovali téměř současně T. A. Edison (USA) akumulátor nikl-železo a W. Jungner (Švédsko) akumulátor nikl-kadmium, oba s alkalickým elektrolytem. V průmyslu mají oba tyto principy stále široké použití.

V osmdesátých a devadesátých letech 20. století byly pro notebooky, mobilní komunikační přístroje a další přenosná záznamová zařízení jako zdroje elektrické energie vyvinuty akumulátory soustav nikl-kovový hydrid nebo lithium-ion. Nahradily zejména akumulátory principu nikl-kadmium, protože ty jsou z důvodu toxicity kadmia neperspektivní.

Rozdělení elektrochemických zdrojů proudu podle principu

Primární články – články s omezeným množstvím reaktantů, které se vybíjením spotřebují na produkty, jež nelze nabíjením (přívodem vnějšího proudu) znovu převést v původní reaktanty. Jde o „baterie„, tedy články na jedno vybití.

Sekundární články – články rovněž s omezeným množstvím reaktantů, ale lze je vnějším proudem převést na původní aktivní reaktanty, článek opět nabít a akumulovat elektrickou energii. Jde o „akumulátory„ elektrické energie. Většina akumulátorů je schopna snést až stovky nebo tisíce nabití a vybití. Počet cyklů (nabití-vybití) je jedním z hlavních parametrů charakterizujících daný akumulátor.

Akumulátory starších provedení vyžadovaly specifickou údržbu i proces nabíjení. Mnohé současné moderní typy akumulátorů již údržbu nevyžadují, a proto jsou označovány jako bezúdržbové. Platí však zákonná povinnost nakládat s nimi v určitém bezodpadovém režimu.

Palivové články – články, v nichž probíhá tzv. studené spalování paliva za současného vývinu elektrického proudu. Palivové články se pouze vybíjejí a fungují, je-li zajištěn přívod paliva a oxidantu a jsou-li odváděny reakční zplodiny.

Palivem může být vodík, formaldehyd, amoniak, oxid uhelnatý, zemní plyn, metan, etanol. Oxidantem, přiváděným kontinuálně, ale zároveň odděleně od paliva na elektrody, může být čistý kyslík, vzduch nebo peroxid vodíku.

Průběh reakcí se v palivových článcích urychluje pomocí katalyzátorů – nejčastěji platiny či platinových kovů.

Nejrozšířenější a nejpropracovanější je palivový článek na principu kyslík (vzduch)-vodík. Pracovní napětí palivových článků je nízké, asi 1 V, a proto se z článků sestavují baterie, tzv. elektrochemické generátory, které vedle článků obsahují i přídavná funkční zařízení (přívod, odvod, tepelný režim atd.).

(jk)

Publikace Akumulátory – od principu k praxi (FCC Public s. r. o., 2003)