Predstavte si svet bez batérií. Znie to ťažko, však? Sme zvyknutí na to, že nám batérie uľahčujú život. Drvivá väčšina našich prenosných elektronických prístrojov a nová vlna elektrických dopravných prostriedkov sú napájané lítiovými batériami. Ich cesta k súčasnej podobe je úžasne fascinujúca. Batérie začali ako jednoduchý objav inšpirovaný prírodou a dnes predstavujú základný stavebný kameň našej technologickej a ekologickej budúcnosti. Tento článok sa zameriava na históriu a vývoj lítiových batérií, od prvotných inšpirácií až po súčasné inovácie a bezpečnostné aspekty.
Prírodná inšpirácia a prvá batéria
Keď hovoríme o batériách, nemožno nespomenúť talianskeho vynálezcu Alessandra Voltu, ktorý sa nechal inšpirovať elektrickými rybami pre vytvorenie prvej batérie. Tieto tvory dokázali generovať elektrický prúd predtým, ako sme si tento fenomén osvojili a používali vo svoj prospech. V roku 1799 Volta predstavil galvanickú hromadu - krok, ktorý zmenil svet. Išlo o prvú batériu, ktorá pozostávala z medených a zinkových kotúčov oddelených látkou nasiaknutou soľankou.
Dobíjanie histórie
Časom prichádzali vylepšenia tohto vynálezu ako olovená batéria Gastona Plantého v roku 1859, ktorá bola prvou nabíjateľnou batériou. Používali sa na osvetlenie vlakových vozňov a dodnes sa široko uplatňujú v zapaľovaní konvenčných automobilov. Ďalším krokom k vylepšeniu batérií bol vynález nemeckého lekára Carla Gassnera v roku 1888, ktorý vynašiel zinkovo-uhlíkovú batériu. Tá bola predzvesťou modernej doby spotrebiteľských batérií.
Revolúcia v mobilite a efektívnosti
Dvere prenosnej elektroniky otvorili až alkalické batérie. Ich vynález v začiatkoch 20. storočia a komercializácia v 50. rokoch položili základy pre naše dnešné mobilné zariadenia.
Lítiová éra a jej dopad
Lítiovo-iónové batérie predstavili v roku 1991 John Goodenough a Akira Yoshina. Stali sa revolučnými vďaka svojej malej veľkosti, vysokému napätiu a skladovaniu náboja. Spočiatku bola ich výroba však drahá. Dnes sú o 30 krát lacnejšie v porovnaní s pred 30 rokmi a umožňujú vývoj od IoT zariadení po elektrické vozidlá.
Prečítajte si tiež: Výber batérií do kúpeľne z Merkury Market
Postupný, ale revolučný pokrok
Vedci ako Jay Turner z Wellesley College upozorňujú, že vývoj je často postupný, ale každý malý krok vedie k obrovskému zlepšeniu výkonu. Tak je to aj v prípade batérií. Evolúcia tohto vynálezu od galvanických batérií k lítium-iónovým článkom zaznamenala pozoruhodný pokrok, hoci vývoj batérií bol v porovnaní s inými technológiami dosť pomalý.
Inovácie v technológii batérií
Spoločnosť Group1 v roku 2021 spolu založili veteráni v oblasti batériových technológií, vrátane Leiganga Xueho, ktorý v súčasnosti pôsobí ako produktový riaditeľ, ale predtým pracoval v laboratóriu nositeľa Nobelovej ceny za rok 2019 a priekopníka v oblasti batérií Dr. Práve v tomto laboratóriu Dr. Vývoj sa začal malou batériou s mincovým článkom, potom sa pokročilo k formátu vrecúškového článku a teraz bola predstavená prvá KIB 18650 na svete.
Nové články pracujú pri napätí 3,7 V a údajne prekonali očakávané výkony, pričom demonštrujú „praktickú cestu k dosiahnutiu gravimetrickej hustoty energie 160 - 180 Wh / kg“. Aj keď je to v porovnaní s typickými balíkmi LFP, ktoré sa v súčasnosti používajú, stále to zaostáva za batériami novej generácie CATL Shenxing Plus, ktoré dosahujú maximálnu hustotu 205 Wh / kg. Spoločnosť Group1 rozposlala vzorky „kľúčovým výrobcom OEM 1. stupňa“ a výrobcom batériových článkov, pričom jej cieľom je „široké prijatie tejto transformačnej technológie“ vo veľmi blízkej budúcnosti.
Popredný český vedec a odborník v nanotechnológiách Jan Procházka vynašiel batériu, ktorá môže zmeniť globálnu energetiku. Odpoveď na otázku, ako jednoducho a vo veľkom objeme skladovať elektrickú energiu, hľadajú vedecké tímy po celom svete. Batériu s novou konštrukciou, ktorá využíva anorganické častice, Procházka vyvíjal od roku 2008.
Batéria sa od dnes používaných technológií na uskladňovanie energie líši už na prvý pohľad - je robustnejšia a vzhľadom pripomína skôr kovovú harmoniku. „Naše batérie majú vyššiu kapacitu, životnosť a hlavne sú bezpečnejšie i lacnejšie,“ zhrnul Procházka pre portál Seznam.cz. Kým bežne používané lítium-iónvé batérie pozostávajú z tenučkých článkov (ich hrúbka sa pohybuje rádov v tisícinách milimetrov), ktoré sú zrolované či priložené k sebe do batérie, Procházkova batéria využíva články hrubé niekoľko milimetrov. Vďaka precízne zvoleným materiálom a ich mikroskopickým vlastnostiam majú elektrochemické procesy v priebehu dobíjania i vybíjania prebiehať hladko a s minimálnymi stratami. Články HE3DA využívajú rovnaké chemické procesy ako napríklad batérie Tesly, ich veľkou výhodou je však konštrukcná jednoduchosť. Bežné lítiové batérie musia byť veľmi ploché najmä kvôli uľahčeniau prenosu náboja medzi elektródami.
Prečítajte si tiež: Ako predísť vybitej batérii v aute
John Goodenough je v odborných kruhoch legendou. Pred tridsiatimi rokmi vynašiel, spoločne s kolegami, dnes všadeprítomnú batériu Li-ion, ktorú máte určite vo svojom mobile či notebooku. Teraz prichádza s ďalším vynálezom. Niektorí vedci sú však voči jeho návrhu skeptickí.
Goodenough, ktorý má už 95 rokov, je na poli vedy stále aktívny a aktuálne sľubuje až päťnásobné zlepšenie výkonu a dokonca by mala byť nehorľavá. V súčasnej Li-ion batérii je tekutý elektrolyt. Ten je zodpovedný za prenos energie. V novej batérie by mal byť pevný. Umožnilo by to jednoduchšiu konštrukciu aj údržbu. "Sklenené elektrolyty umožňujú nahradiť drahé lítium lacným sodíkom. Ten sa dá získať napríklad z morskej vody," vysvetľuje Helena Braga, vedúca výskumného tímu. Deklarujú päťnásobné navýšenie kapacity a extra rýchle nabíjanie. Nadšenie však strieda skepsa niektorých vedcov. Tvrdia, že je len veľmi malá možnosť, aby to mohlo fungovať.
Bezpečnostné aspekty používania batérií
Používanie batérií prináša so sebou rôzne riziká. Medzi najčastejšie nebezpečenstvá batérií patria najmä prehriatie, skrat, vytečenie či nesprávne nabíjanie. Vo väčšine prípadov ľudia nie sú dostatočne poučení o rizikách spojených s používaním batérií. Z praxe, či už v priemyselnom prostredí, dielňach, alebo medzi bežnými spotrebiteľmi je možné často vidieť nesprávne postupy, ako napríklad nabíjanie lacnými nabíjačkami bez potrebnej ochrany alebo skladovanie batérií na nevhodných miestach, kde sú vystavené vlhkosti či vysokým teplotám.
Pri používaní batérií v domácnosti je vhodné dodržiavať niekoľko základných pravidiel, ktoré znižujú riziko poškodenia či vzniku nebezpečných situácií. V prvom rade by ste mali používať len originálne a kompatibilné nabíjačky, pretože nesprávne nabíjacie zariadenie môže spôsobiť preťaženie batérie, jej prehrievanie a následné zlyhanie. Ďalším pravidlom je nevystavovať batérie vlhkosti ani vysokým teplotám - mali by byť vždy uskladnené na miestach, ktoré sú pre ne vhodné a bezpečné.
Veľkým nebezpečenstvom je aj vzplanutie lítiovej batérie. Požiar lítiových batérií môže vzniknúť z viacerých príčin, ktoré súvisia s ich konštrukciou a citlivosťou na prevádzkové podmienky. Medzi najčastejšie faktory patrí prebitie batérie, pri ktorom sa prekročí odporúčaná kapacita nabíjania. V takom prípade dochádza k prehrievaniu, čo môže viesť k takzvanému tepelnému úniku. Nebezpečný je aj skrat - či už vnútorný, spôsobený poškodením alebo chybou vo vnútornej štruktúre, alebo vonkajší, napríklad pri kontakte s kovovými predmetmi. V oboch prípadoch prudko stúpa teplota batérie a vzniká riziko vznietenia. K požiaru môže prispieť i mechanické poškodenie, ako sú prepichnutie, silná deformácia alebo pád, ktoré narušia ochranné vrstvy a vedú k iskreniu či zápalu.
Prečítajte si tiež: Štartovacia batéria Bosch 0 092 S40 080
Je dôležité postupovať opatrne a vždy myslieť predovšetkým na vlastnú bezpečnosť. Pri menšom požiari môže voda pomôcť ochladiť okolie, no priame hasenie batérie vodou neodporúčame, pretože môže dôjsť k prudkej reakcii až výbuchu. Vhodnejšie je použiť hasiaci prístroj typu D, určený na kovy, prípadne CO₂ či práškový hasiaci prístroj. Ak je požiar ešte malý a nehrozí riziko zranenia, môžete zariadenie opatrne odniesť na bezpečné miesto, napríklad von na betón, ďalej od horľavých materiálov.
Požiarom lítiových batérií sa dá predchádzať dodržiavaním niekoľkých základných zásad. V prvom rade je dôležité nevystavovať batérie priamemu slnečnému žiareniu ani vlhkému prostrediu, pretože tieto podmienky zvyšujú riziko prehrievania a poškodenia. Ďalším dôležitým opatrením je opatrná manipulácia - batérie by sa nemali prepichovať, hádzať, stláčať ani inak mechanicky poškodzovať, keďže narušenie ich vnútornej štruktúry môže viesť k iskreniu alebo vznieteniu.
Lítiové batérie sú citlivé na viaceré faktory, ktoré negatívne ovplyvňujú ich životnosť aj bezpečnosť. Najviac im škodí vysoká teplota a vlhkosť prostredia, preto je dôležité skladovať ich v suchu, pri izbovej teplote, nikdy nie na priamom slnku. Negatívny vplyv majú aj veľmi nízke teploty, ktoré znižujú výkon batérie a môžu spôsobiť trvalé poškodenie. I v tomto prípade je prevenciou uchovávanie a používanie batérií v miernych podmienkach. Nezanedbateľným faktorom je tiež prirodzené starnutie batérie spôsobené chemickým opotrebovaním.
Ak dôjde k vytečeniu lítiovej batérie, je potrebné postupovať veľmi opatrne, pretože elektrolyt je žieravý a jeho výpary môžu byť toxické. V prvom rade sa nesmie dotýkať vytečeného elektrolytu holými rukami a vytečenú batériu nikdy nevkladať späť do zariadenia ani sa ju nepokúšať znovu nabiť. Rovnako nie je vhodné hádzať poškodenú batériu do vody alebo do bežného komunálneho odpadu. Dôležité je tiež vyhnúť sa vdychovaniu výparov, ktoré môžu ohroziť zdravie.
Lítiové batérie môžu explodovať z viacerých príčin, ktoré súvisia s ich chemickou podstatou a s citlivosťou na prevádzkové podmienky. Medzi najčastejšie dôvody patrí prebitie batérie, pri ktorom dochádza k nadmernému nárastu teploty a tlaku vnútri článku. Nebezpečný je aj vnútorný alebo vonkajší skrat, ktorý spôsobí prudké zahrievanie a následné zlyhanie batérie. Riziko explózie vzniká tiež pri mechanickom poškodení, napríklad prepichnutí alebo silnom stlačení, ktoré naruší separátor a umožní nekontrolovanú reakciu elektrolytu.
Prevencia spočíva predovšetkým v správnom používaní a v správnej starostlivosti. Batérie by sa mali nabíjať len odporúčanými nabíjačkami s ochrannými obvodmi, ktoré zabraňujú prebitiu. Je potrebné vyhýbať sa mechanickému poškodeniu a nevystavovať ich extrémnym teplotám. Dôležitá je aj správna manipulácia a skladovanie, čiže v suchu, pri izbovej teplote a mimo zdrojov tepla.
Najdôležitejšie je zachovať pokoj a v prvom rade chrániť seba a okolie. Rýchlo sa vzdiaľte od miesta výbuchu, najmä ak je prítomný oheň alebo toxický dym. Vdychovanie dymu je veľmi nebezpečné, pretože obsahuje škodlivé chemikálie, ako sú fluoridy či oxidy kovov. Ak k výbuchu dôjde v uzavretom priestore, je potrebné okamžite zabezpečiť intenzívne vetranie.
Konkrétne čísla o počte udalostí na Slovensku, napríklad presný počet požiarov batérií za rok, dostupné nie sú. Možno predpokladať, že ide o málo časté, ale potenciálne nebezpečné incidenty, často skôr zaznamenané samostatne.
Kurz Bezpečnosť práce s batériami
Kurz Bezpečnosť práce s batériami v rámci združenia SKEBA nie je zameraný iba na teóriu, ale prináša aj praktické skúsenosti a príklady z praxe. Účastníci sa počas neho oboznámia so správnym skladovaním, s manipuláciou, testovaním a likvidáciou batérií, naučia sa rozpoznávať riziká a osvoja si použitie vhodných ochranných prostriedkov. Zaujímavé je, že kurz vychádza zo skúseností odborníkov zo slovenských univerzít a spolupracuje aj s priemyslom - absolvovali ho už stovky zamestnancov napríklad v automobilke Kia Slovakia. Účastníci získajú certifikát, ktorý je dôležitý pre profesionálnu prax, no prínosný je tiež pre študentov či pracovníkov, ktorí sa chcú orientovať v batériových technológiách.
Kurz sa zameriava na bezpečnostné aspekty manipulácie s batériami vrátane prevencie požiarov, elektrických výbojov a chemických rizík. Účastníci získajú prehľad o bezpečnostných normách a štandardoch týkajúcich sa práce s batériami, zoznámia sa s núdzovými postupmi pri zlyhaní batérií a praktickými opatreniami na minimalizáciu rizík. Zakladajúcimi inštitúciami SKEBA sú Strojnícka fakulta Slovenskej technickej univerzity v Bratislave, Prírodovedecká fakulta Univerzity Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach, Fakulta materiálov, metalurgie a recyklácie Technickej univerzity v Košiciach, Strojnícka fakulta Žilinskej univerzity v Žiline, Zväz automobilového priemyslu Slovenskej republiky, Duálna akadémia, z. z. p.
Batérie v prenosných svietidlách
Prenosné svietidlá patria medzi nevyhnutné nástroje v rôznych oblastiach života - od bežného domáceho použitia a outdoorových aktivít až po profesionálne využitie v armáde, záchranných službách a priemysle. LED baterky a ručné svietidlá sú efektívnejšie, úspornejšie a odolnejšie ako kedykoľvek predtým. Ručné LED baterky sa hodia do každej domácnosti, zídu sa na stanovačkách v prírode, prechádzkach do lesa alebo do domu ak vám nefunguje elektrina.
Typy LED bateriek
- Klasické ručné baterky: Tieto svietidlá sú najbežnejšie a vhodné na široké spektrum využitia. Sú kompaktné, jednoduché na používanie a dostupné v rôznych výkonoch. Ich hlavné využitie je v domácnostiach, na turistiku alebo pri opravách v tme.
- Taktické baterky: Taktické svietidlá sú navrhnuté pre profesionálov, ako sú vojaci, policajti a záchranné zložky. Sú extrémne odolné, vodeodolné a mávajú niekoľko režimov svietenia vrátane stroboskopu na oslnenie protivníka.
- Čelovky: Tieto svietidlá sú ideálne pre turistov, bežcov, cyklistov, mechanikov a kohokoľvek, kto potrebuje mať voľné ruky. Najlepšie modely ponúkajú rôzne intenzity svetla a nastaviteľný uhol osvetlenia.
- Baterky na dynamo: Tieto svietidlá nevyžadujú klasické batérie, ale generujú energiu mechanicky pomocou otáčaného dynama. Sú vynikajúcim riešením na prežitie v prírode alebo v núdzových situáciách.
LED svietidlá nemajú klasické vlákno, ktoré by sa mohlo spáliť - svetlo vytvárajú pohybom elektrónov v polovodičovom materiáli. Vďaka tomu sú extrémne odolné voči nárazom a otrasom, čo z nich robí ideálnu voľbu nielen pre domácnosti, ale aj do náročných priemyselných alebo vonkajších podmienok.
Typy batérií používaných v LED baterkách
- Alkalické batérie: Najbežnejšia forma napájania LED bateriek, zvyčajne vo formáte AA alebo AAA. Sú široko dostupné a vhodné na občasné použitie. Výhodou je ich nízka cena a možnosť okamžitej výmeny pri vybití. Nevýhodou je však kratšia výdrž v porovnaní s nabíjateľnými batériami a vyšší dopad na životné prostredie, pretože po vybití sa zvyčajne vyhadzujú.
- Nabíjateľné Li-Ion batérie: Lítiovo-iónové batérie sú dnes najpoužívanejším zdrojom energie pre kvalitné LED svietidlá. Ponúkajú dlhšiu výdrž, lepšiu efektivitu a možnosť opakovaného nabíjania, čím sú ekologickejšie než alkalické batérie. Bežne sa používajú vo formátoch 18650, 21700 alebo 14500. Výhodou Li-Ion batérií je ich vysoká kapacita a dlhá životnosť, no treba s nimi zaobchádzať opatrne.
- Solárne nabíjanie: Pre outdoorových nadšencov a dlhodobé expedície je ideálnym riešením solárne nabíjanie. LED baterky vybavené solárnymi panelmi dokážu dobíjať svoju vnútornú batériu pomocou slnečného svetla.
- Dynamo systém - ručné nabíjanie: Dynamo svietidlá sú navrhnuté pre núdzové situácie, kde nie je dostupná elektrická energia.
História prenosných svietidiel
Prvé prenosné svietidlá, takzvané baterky, sa začali objavovať koncom 19. storočia, krátko po objavení suchého článku v roku 1887, ktorý poskytol stabilný zdroj elektrickej energie. V roku 1899 americký vynálezca David Misell patentoval prvú baterku poháňanú batériami. Tieto skoré modely mali veľmi nízku výdrž a slabé osvetlenie, no aj tak predstavovali revolučný krok v technike. LED (Light Emitting Diode) technológia vznikla v druhej polovici 20. storočia, no trvalo niekoľko desaťročí, kým sa LED svetelné zdroje stali dostatočne výkonnými na praktické použitie v baterkách. Masové rozšírenie LED svietidiel nastalo v 90. rokoch.