Patarei

Allikas: Vikipeedia
Disambig gray.svg  See artikkel räägib vooluallikast; sõjanduse mõiste kohta vaata artiklit Patarei (sõjandus), teiste mõistete kohta vaata Patarei (täpsustus)

Erinevat tüüpi patareid.
Patarei tingmärk.

Patarei on keemiline vooluallikas, mis koosneb ühest või mitmest galvaanielemendist või akust, mis muundavad salvestatud keemilise energia elektrienergiaks. Esimese patarei leiutas 1800. aastal Alessandro Volta ning sellest ajast saadik on patareid muutunud igapäevaselt vajalikuks energiaallikaks nii kodudes kui ka tootmisettevõtetes.[[1]]

Keemilised vooluallikad jagunevad ühekordselt ja mitmekordselt kasutatavaiks. Esimesi saab tühjendada, s.t neist energiat elektrivooluna tarbida ühekordselt (pidevalt või vaheaegadega), korduvalt kasutatavad vooluallikad on tühjendamise järel elektrivooluga laetavad; laadimisel muundub tarbitav elektrienergia aktiivainete keemiliseks energiaks. Ühekordselt kasutatav keemiline vooluallikas on tehnikaterminites väljendatuna primaarne (esmane) vooluallikas, lühemalt primaarvooluallikas ehk primaarallikas, ja laetav keemiline vooluallikas on sekundaarne (teisene) vooluallikas, lühemalt sekundaarvooluallikas ehk sekundaarallikas. Primaarvooluallika algüksus on primaarelement ja sekundaarvooluallika algüksus on sekundaarelement. Primaarelemendi kohta kasutatakse veel ka ajaloolist nimetust galvaanielement. Sekundaarelemendi tuntum nimetus on akuelement.[1]
Kaks või enam elektriliselt ühendatud elementi moodustavad patarei. Primaarelementide ühendamisel saadakse primaarpatarei. Sekundaarelementide ühendusena saadud sekundaarpatareid tuntakse rohkem akupatareina.
Igapäevases keelekasutuses on välja kujunenud lühinimetused: kõiki ühekordselt kasutatavaid keemilisi vooluallikaid (seega siis ka üksikuid primaarelemente) nimetatakse patareideks (nt kellapatarei) ja laetavaid allikaid (ka mitmest elemendist koosnevaid) akudeks (nt autoaku). Mõnes seoses tähendab patarei mistahes liiki keemilist vooluallikat; nii võib seadme (taskulambi, seinakella, juhtmeta hiire) patareitoite (s.t mitte võrgutoite) allikaks olla üks või mitu nn ümarpatareid või vastavat akut. Inglise keeles ongi battery üldiselt kasutusel selles laias tähenduses. Primaar-sekundaar-liigitus on eri keeltes samatähenduslik.


Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

Leideni purk
Volta sammas

Esmakordselt kasutas mõistet patarei elektroonika seadmete kirjeldamiseks Benjamin Franklin, kirjeldades nõnda mitut omavahel ühendatud Leideni purki (seade, mis "salvestab" staatilist elektrit kahe elektroodi vahel, millest üks on klaaspurgi sees ja teine väljaspool purki. See oli algeline kondensaator.) Mõiste laenas ta sõjandusest, kus selle abil kirjeldati sarnastest relvadest koosnevat gruppi.[2]
Esimese elektrokeemilise patarei, Volta samba, leiutas ja töötas välja 1800. aastal itaalia füüsik Alessandro Volta. Volta sammas koosneb üksteise peale laotud vask- ja tsinkplaatidest, mida eraldasid soolveega immutatud riidest poorsed kihid. Sammas suutis toota mõõdetavat voolu märkimisväärset aega. Seetõttu arvas Volta algselt, et sammas on püsiv vooluallikas. Aastal 1834 tõestas Michael Faraday, et Volta sambas esinenud korrosioon on vältimatu osa plaatide vahelisest keemilisest reaktsioonist.
Algsed patareid olid kasulikud teaduseksperimentide läbi viimiseks, kuid ei suutnud toota piisavalt püsivat ning tugevat voolu muudes rakendustes kasutamiseks. 1836. aastal leiutas briti keemik John Frederic Daniell esimese praktilist rakendust võimaldava vooluallika, Danielli raku, millest sai esimene tööstusstandard ning osa laialdaselt levinud telegraafi võrgustikust.[3] See koosnes vasksulfaati sisaldavast vasktünnist, milles oli väävelhapet sisaldav anum ning tsinkelektrood. [4] Algsed vedelat elektrolüüdi lahust sisaldavad patareid olid lekkeohtlikud. Patarei kestaks kasutati klaasi, mis tegi nad omakorda veelgi hapramaks ja ohtlikumaks. Nende omaduste tõttu olid patareid vaid kohapealseks kasutamiseks. Kaasaskantavad vooluallikad said alguse kuivelementide leiutamisega 19. sajandi lõpul. [5]


Tööpõhimõte[muuda | muuda lähteteksti]

Kuivelemendi ehitus:
1 - Messingist tipp
2 - Plastikümbris
3 - Paisuala
4 - Poorne papp
5 - Tsinkkonteiner
6 - Süsinikvarras
7 - Elektrolüüt

Patareid muundavad keemilist energiat elektriliseks. Patarei koosneb mitmetest galvaanielementidest. Iga galvaanielement koosneb omakorda kahest poolelemendist, mis on omavahel ühendatud nii katioone kui ka anioone sisaldava juhtiva elektrolüüdi abil. Ühes poolrakus on elektrolüüt ja negatiivne elektrood, millele kogunevad anioonid; teises poolrakus elektrolüüt ning positiivne elektrood, millele kogunevad katioonid. Toimuv redoksreaktsioon annab patareile toite. Patarei esialgse laadimise käigus redutseeruvad katioonid katoodil, samal ajal anioonid oksüdeeruvad anoodil. Patarei tühjenemisel on protsess vastupidine. Elektroodid on üksteisest füüsiliselt eraldatud, kuid elektriliselt ühendatud elektrolüütilise lahusega. Mõnes galvaanielemendis on kummalgi elektroodil oma elektrolüütiline lahus. Lahused on eraldatud ioonselektiivse membraani abil.[6]
Igal poolrakul on oma elektromotoorjõud, mis näitab raku võimet juhtida elektrivoolu raku seest välja. Kogu raku elektromotoorjõud on määratud poolrakkude elektromotoorjõudude vahega.[7]Teisisõnu, kogu elektromotoorjõud on poolrakkude redokspotentsiaalide vahe. [8]

Kategooriad[muuda | muuda lähteteksti]

Primaarpatareid[muuda | muuda lähteteksti]

Primaarpatareisid saab kasutada koheselt pärast pakendist välja võtmist. Neid eelistatakse kaasaskantavates seadmetes, mis ei ole suure voolutarbega. Ühekordsed primaarpatareid ei ole taaslaetavad, kuna neis toimuv reaktsioon ei ole pööratav. Patareitootjad ei soovita proovida ühekordsete patareide taaslaadimist. [9] Enamasti on primaarpatareide energiatihedus suurem kui taaslaetavatel,[10] samas ei sobi nad suure voolutarbega seadmetes kasutamiseks. Tuntud primaarpatareideks on tsink-,süsinik- ja leelispatareid.

Sekundaarpatareid[muuda | muuda lähteteksti]

Sekundaarpatareisid ehk taaslaetavad patareisid tuleb enne esmakordset kasutamist täis laadida. Sekundaarpatareide (taas)laadimiseks rakendatakse neile vastupinge, mis paneb elemendi tühjenemisel toimuva keemilise reaktsiooni pöörduvalt käima. Taaslaadimiseks kasutatavaid seadmeid nimetatakse laadijateks.
Vanim taaslaetav patarei on pliiaku, mida leiab laialdast kasutust sõidukites. Pliiaku sisaldab lahtises anumas vedelal kujul elektrolüüti. See on ka põhjus, miks pliiakusid tuleb püstiasendis ja hästi ventileeritud ruumis hoida(akust võib eralduda ülelaadimisel vesinikku). Pliiaku on on üsna raske, arvestades kui vähe elektrienergiat on ta võimeline välja andma. Pliiakut kasutatakse kohtades, kus on vaja suurt voolutugevust(pliiaku on võimeline välja andma kuni 450 A) väikse pinge juures ning kus aku mass ei ole oluline. Tüüpiline rakenduskoht pliiakule on näiteks autod või paadid.[11]
Tänapäeval on kasutusel veel ventiilreguleeritavad pliiakud (VRLA) ehk suletud akud, milles tekkiv hapnik ja vesinik rekombineeruvad suures osas uuesti veeks. Kui aga tekib ülerõhk, eraldub gaas ventiili kaudu väliskeskkonda. Sellised akud on reeglina hooldusvabad. Neid võib jagada vastavalt elektrolüüdi hoidmise viisile AGM (absorbeeritud klaasmatt) akudeks ja geelakudeks.[12] Lisaks on nii telefonides kui ka sülearvutites kasutusel erinevaid “kuivelemente“. Näiteks: nikkel–kaadmium (NiCd), nikkel–tsink (NiZn), nikkel metallhüdriid (NiMH), and liitium-ioon (Li-ioon). Turust suurima osa moodustavad Li-ioon akud. NiMH on enamikes rakendustes oma suurema mahutavusega asendanud NiCd akud, siiski NiCd akud on säilinud elektritööriistades, raadiosaatjates ja meditsiinitehnikas.

Töökarakteristikud[muuda | muuda lähteteksti]

Mahtuvus[muuda | muuda lähteteksti]

Patarei mahtuvus on määratud välja antava voolutugevuse poolt ettenähtud pingel. Mahtuvus sõltub patareis oleva elektroodi hulgast. Väiksema elektroodiga patarei mahtuvus on väiksem kui suurema elektroodiga patareil, kuid pinge on mõlemal sama. Mahtuvust mõõdetakse ampertundides(A·h). Patareile märgitud mahtuvus määratakse patarei voolu andmise võimest 20 tunni jooksul 20 °C juures. Näiteks 100 Ah patarei on võimeline toatemperatuuril andma 5A voolu 20 h järjest. Tegelik välja antav vool on määratud paljudest teguritest – elemendi sisekeemia, voolutugevus, eluiga, temperatuur jm. [13]

Voolutugevus, tühjenemise aeg ja mahtuvus on omavahel seotud Peukert’i valemi alusel:


, kus:
- Mahtuvus tühjenemisel
- Voolutugevus
- Aeg tundides, mil patarei voolutugevus ja pinge ei lange
- Konstant 1.3


Eluiga[muuda | muuda lähteteksti]

Oxfordi elektriline kell

Elueal on sekundaarpatareide puhul kaks ja primaarpatareide puhul üks tähendus. Taaslaetavate patareide puhul võib eluiga tähendada nii täislaetud olekust tühjaks laadumise aega kui ka efektiivsete täis- ja tühjakslaadimise tsüklite arvu. Primaarpatareide puhul aga tähendab eluiga mõlemat, kuna on vaid üks tühjakslaadimise tsükkel. Erinevalt tänapäevastest patareidest on 1812. aastal leiutatud Zamboni rakul väga pikk eluiga, kuid seda vaid väga väikse voolutugevuse juures. Zamboni rakkudel töötav Oxfordi kell on töötanud aastast 1840.[14]

Iseeneslik tühjenemine[muuda | muuda lähteteksti]

Patareid kaotavad aasta jooksul toatemperatuuril seistes 8-20 % oma esialgsest mahutavusest. Pikalt seisnud patareid hakkavad oma mahutavust kaotama erinevate kõrvalreaktsioonide tõttu patarei rakus. Kõrvalreaktsioonide toimumist on võimalik pidurdada patareide madalamal temperatuuril hoidmisega, kuid mõningaid patareisid võib külmutamine samuti kahjustada. Vanad taaslaetavad patareid tühjenevad iseeneslikult kiiremini kui tavalised ühekordsed leelispatareid. Näiteks värskelt laetud NiCd patarei kaotab 10% oma laengust esimese 24 tunni jooksul. Sealt edasi umbes 10% kuus. Uuemad NiMH ja Li-ioon patareid on küll madalama iseenesliku tühjenemisega, kuid siiski jäävad alla ühekordsetele patareidele.

Enimlevinud patareid[muuda | muuda lähteteksti]

Nimetus Mõõtmed Mahtuvus (mAh) Nimipinge Pilt
D 61 mm × Ø 34 mm 12000 (leelis) 8000 (süsinik-tsink) 2200–11000 (NiMH) 2000-5500 (NiCd) 1.5 V
C 50 mm × Ø 26 mm 8000 (leelis) 3800 (süsinik-tsink) 4500–6000 (NiMH) 1.5 V
AA 50 mm × Ø 14 mm 2700 (leelis) 1100 (süsinik-tsink) 3000 (Li–FeS2) 1700–2700 (NiMH) 600–1000 (NiCd) 1500 (NiZn) 1.5 V
AAA 44 mm × Ø 10 mm 1200 (leelis) 540 (süsinik-tsink) 800–1000 (NiMH) 500 (NiZn) 1.5 V
9V 48 × 26 × 17 mm 565 (leelis) 400 (süsinik-tsink) 1,200 (liitium) 175–300 (NiMH) 120 (NiCd) 500 (liitium polümeer, taaslaetav) 9 V

Ohud[muuda | muuda lähteteksti]

Plahvatusohtlikkus[muuda | muuda lähteteksti]

Enamasti on plahvatused tingitud patareide mittesihtotstarbelisest käsitsemisest nagu näiteks ühekordse patarei taaslaadimine või lühise tekitamine patarei klemmide vahel. Patarei liialt kiirel laadimisel tekib plahvatusohtlik gaaside segu(eraldub nii hapnikku kui vesinikku) ning kui laadimine toimub kiiremini kui gaaside segu jõuab patarei kestast väljuda, toimub plahvatus. Samuti võib taaslaetava patarei ülelaadimine põhjustada plahvatuse, elektrolüüdi lekke või püsiva kahjustuse. Patarei ülelaadimine võib kahjustada laadijat või seadet, kus kasutatakse ülelaetud patareid. Autoakud võivad kõrge voolutugevusega lühise korral plahvatada. Autoakude laadimisel teiselt autoakult võib suur voolutugevus põhjustada kiiret vesiniku eraldumist ning sädeme tekkimine(näiteks laadimiskaabli eemaldamisel) võib selle süüdata.[15]

Lekkimine[muuda | muuda lähteteksti]

Lekkega nööppatarei

Patareides sisalduvad kemikaalid on enamasti korrodeeruvad ja mürgised. Lekke korral patareist väljunud ained on ohtlikud nii patarei toidet kasutava seadme kui ka patareid käsitseva inimese jaoks. Seetõttu soovitavad tehnikatootjad võtta pikalt seisvatelt seadmetelt patareid välja.[16]

Toksilised materjalid[muuda | muuda lähteteksti]

Patareides leidub erinevaid toksilisi ühendeid: plii, elavhõbe, kaadmium jm. Patarei eluea lõppemisel tuleb need seaduse kohaselt jäätmekäitlusesse viia, vältimaks mürgiste ainete sattumist loodusesse.

Euroopa Liidu direktiivides on reguleeritud patareide taaskäitlemine. Samuti on reguleeritud patareidel olev sümboolika, mis keelab patareisid olmeprügisse viskamast. [17]

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]

Lisalugemist[muuda | muuda lähteteksti]

  • Dingrando, Laurel; et al. (2007). Chemistry: Matter and Change. New York: Glencoe/McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-877237-5. Ptk 21 (lk 662–695).
  • Saslow, Wayne M. (2002). Electricity, Magnetism, and Light. Toronto: Thomson Learning. ISBN 0-12-619455-6. Ptk 8–9 (lk 336–418).

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Chemical/electrochem.html Electrochemical Cells
  2. https://web.archive.org/web/20110727024546/http://www.sis.org.uk/bulletin/99/mills.pdf
  3. http://www.mpoweruk.com/history.htm#daniell
  4. http://seaus.free.fr/spip.php?article964
  5. https://archive.is/20130223055026/http://portal.acs.org/portal/PublicWebSite/education/whatischemistry/landmarks/drycellbattery/index.htm
  6. Dingrando 665
  7. Saslow 338
  8. Dingrando 666
  9. https://www.duracell.com/en-us/technology/battery-care-use-and-disposal/
  10. http://data.energizer.com/pdfs/alkaline_appman.pdf
  11. https://www.eetimes.com/author.asp?section_id=36&doc_id=1320644
  12. http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TH1-3V8Y9HB-P&_user=10&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&_docanchor=&view=c&_searchStrId=952089869&_rerunOrigin=google&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=1d4de626417e3081e981bb5ccb04a22d
  13. http://www.techlib.com/reference/batteries.html
  14. https://en.wikipedia.org/wiki/Oxford_Electric_Bell
  15. https://www.centurybatteries.co.nz/content/documents/battery-talk/issue-3-battery-talk-exploding-batteries.pdf
  16. https://www.consumerreports.org/batteries/whybatteriesleak/
  17. http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX%3A02006L0066-20131230&rid=1