כל מה שרצית לדעת על סוללה
אנרגיה/אנרגיית סוללות
קיימות שני קבוצות להפקת אנרגיה חשמלית ,האחת טבעית כגון אנרגית שמש ,רוח ומים. ומתחדשת מאליה שוב ושוב ללא התערבות יום יומית. והשנייה אנרגיה מלאכותית אותה אנו יוצרים ומתכלה כגון פחם, סולר, גז. הסוללות נחשבות בקטגורית מתכלה וצורכת חידוש או טעינה לה נהיה אחראים ואשר לעיתים תיארך זמן רב.
מקור חשמל
הוללה היא מקור אנרגיה, מין תחנת כוח פרטית המפיקה חשמל דרוש לצריכה אישית של כל אחד מאתנו,
מי מאתנו לא צרכן סוללות? אם זה לטלפון בבית, לסלולרי, למחשב, למצלמה, לתאורה, לרכב ובעצם מה לא?
האם שמת לב פעם לסוללה שנמצאת בשלט הרכב? ודאי רק כשנגמרה! בשעון? ובצעצוע? לפעמים נדמה שדברים קטנים אלה פועלים מאליהם. ושמתכלים פתאום מבחינים בהן.
סוללה חשמלית
בטריה, סוללה המייצרת מתח חשמלי בקצותיו כתוצאה מריאקציה כימית בין אלקטרודות לחומר מוליך אלקטרוליט. השם המדעי של סוללה הוא “תא אלקטרוכימי”. הזרם החשמלי הנוצר זרם גלוואני התגלה בשנת 1789 על ידי רופא איטלקי בשם גלוואני. תא אלקטרוכימי מתקדם הומצא על ידי ג’והן פרדריק דניאל בשנת 1936 באנגליה, ונקרא על שמו: “תא דניאל”. בניית תא חשמלי של אבץ נחושת: פיסת אבץ Zinc = Zn או מגנזיום המשמשת כקתודה אלקטרודה שלילית .פיסת נחושת Copper = CU המשמשת כאנודה אלקטרודה חיובית תמיסת מי מלח מרוכזת, או כל חומר אלקטרוליטי אחר תמיסה המוליכה זרם חשמלי.
סוללה חשמלית
סוללה מייצרת חשמל בזרם ישר. סוללה ניתנת להרכבה מתא חשמלי אחד או יותר,
תלוי בוולט (V) בו אנו מעוניינים ובהספק Ah (אמפר שעה)
החשמל מופק כתוצאה מתהליך כימי העברת אלקטרונים בין שתי אלקטרודות המחוברות לחומרים שלהם הבדל פוטנציאלי. סוללה נטענת משלבת למעשה תא אלקטרוכימי להפקת חשמל, ותא אלקטרוליטי להשבת אנרגיה לסוללה באמצעות שינויים כימיים, לצורך המשך הפקת החשמל סידרתי.
הראשון שבנה סוללה חשמלית בשנים שבין 1785-1789 היה וולטה אלסנדרו.
הוא בעצם בנה את התא הקרוי וולטה. המוכר לנו כסוללה לרכב- “מצבר”
המצאתו זו של מר וולטה אפשרה בהמשך למדענים בתקופתו לחקור את תכונות החשמל.
סוללה נטענת היבשה
סוללות נטענות. כדי להתגבר על בעיה זו, הנקראת קיטוב, הומצאה בשנת 1867 ה סוללה היבשה, על ידי הצרפתי ז’ורז’ לקלנשה. בסוללה היבשה עשויה האלקטרודה השלילית (האנודה) אבץ והיא מהוה את מארז הסוללה, ואילו האלקטרודה החיובית (הקתודה) עשויה מוט של גרפיט הקבוע במרכז הקופסה. מוט הגרפיט מוגן בתערובת מונעת קיטוב על בסיס דו תחמוצת המנגן. האלקטרוליט בסוללה זו הוא תערובת של כלוריד האבץ וכלוריד האמוניום. כולו מבודד בעטיפה העשויה חומר מבודד שאינו מאפשר את מעבר הזרם החשמלי אלא בתיל המתכת. על העטיפה מולבש שריון מתכת שמטרתו העיקרית למנוע את דליפת האלקטרוליט. דליפה זו עלולה להתרחש עקב הצטברות גזים בתוך הסוללה שלחצם פורץ את המעטפת. הסוללות הפשוטות והזולות שבשימוש היום מבוססות על דגם לקלנשה.
סוללות נטענות. כדי להתגבר על בעיה זו, הנקראת קיטוב, הומצאה בשנת 1867 ה סוללה היבשה, על ידי הצרפתי ז’ורז’ לקלנשה. בסוללה היבשה עשויה האלקטרודה השלילית (האנודה) אבץ והיא מהוה את מארז הסוללה, ואילו האלקטרודה החיובית (הקתודה) עשויה מוט של גרפיט הקבוע במרכז הקופסה. מוט הגרפיט מוגן בתערובת מונעת קיטוב על בסיס דו תחמוצת המנגן. האלקטרוליט בסוללה זו הוא תערובת של כלוריד האבץ וכלוריד האמוניום. כולו מבודד בעטיפה העשויה חומר מבודד שאינו מאפשר את מעבר הזרם החשמלי אלא בתיל המתכת. על העטיפה מולבש שריון מתכת שמטרתו העיקרית למנוע את דליפת האלקטרוליט. דליפה זו עלולה להתרחש עקב הצטברות גזים בתוך הסוללה שלחצם פורץ את המעטפת. הסוללות הפשוטות והזולות שבשימוש היום מבוססות על דגם לקלנשה.
מבנה הסוללה
בסוללה יש שלושה מרכיבים עיקריים:
בסוללה יש שלושה מרכיבים עיקריים:
אנודה (קוטב שלילי) העוברת תהליך חמצון שבו נמסרים אלקטרונים למעגל החיצוני (צרכן חשמל).
קתודה (קוטב חיובי) העוברת תהליך חיזור שבו נקלטים אלקטרונים מהמעגל החיצוני.
אלקטרוליט תווך המפריד בין האנודה לקתודה הגורם ליצירת מתח ביניהם. הוא מכיל בסיס או חומצה או סוג של מלח.
קתודה (קוטב חיובי) העוברת תהליך חיזור שבו נקלטים אלקטרונים מהמעגל החיצוני.
אלקטרוליט תווך המפריד בין האנודה לקתודה הגורם ליצירת מתח ביניהם. הוא מכיל בסיס או חומצה או סוג של מלח.
כיצד פועלת סוללה
המגע בין האלקטרוליט לבין שתי המתכות השונות גורם לתגובה כימית המתבטאת בנדידת יונים דרך תמיסת האלקטרוליט. אם נחבר את שני הלוחות החיצוניים זה לזה בחוט תיל ממתכת המוליכה חשמל, יתהווה בסוללה זרם חשמלי. המטענים החשמליים שנושאים איתם האלקטרונים הנודדים מלוח ללוח בתוך הסוללה יזרמו דרך חוט המתכת. את התיל הזה המכוסה שכבה של חומר מבודד מחברים למכשיר שרוצים להפעילו בזרם החשמלי.
סוללת ליתיום-יון – הנפוצה ביותר כיום למכשירים אלקטרוניים כגון: מחשבים ניידים, מצלמות, סלולרי, נגני מוזיקה כף יד עוד סוללה בלתי נטענת.
סוללת כספית – האנודה שלה עשויה אבץ והקתודה עשויה תחמוצת הכספית והאלקטרוליט הוא מימת האשלגן. היתרון של סוללות אלו טמון בעמידותן הרבה הן מסוגלות לספק מתח חשמלי במשך זמן רב.
סוללת אלקליין – סוללה זו היא מהשכיחות ביותר במכשירי חשמל קטנים. האלקטרודות עשויות מנגן ואבץ. האלקטרוליט הוא בסיס חזק הנמצא לעיתים קרובות בלחץ ולכן מסוכן לפרק סוללה מדגם זה.
סוללת כספית – האנודה שלה עשויה אבץ והקתודה עשויה תחמוצת הכספית והאלקטרוליט הוא מימת האשלגן. היתרון של סוללות אלו טמון בעמידותן הרבה הן מסוגלות לספק מתח חשמלי במשך זמן רב.
סוללת אלקליין – סוללה זו היא מהשכיחות ביותר במכשירי חשמל קטנים. האלקטרודות עשויות מנגן ואבץ. האלקטרוליט הוא בסיס חזק הנמצא לעיתים קרובות בלחץ ולכן מסוכן לפרק סוללה מדגם זה.
סוללה נטענת
תא עופרת-חומצה – המצבר המצוי במכוניות הוא למעשה סוללה נטענת המכילה בדרך כלל 6 תאים עבור מתח עבודה של 12 וולט, האלקטרודות שבו עשויות עופרת והאלקטרוליט שבו הוא חומצה גופרתית מדוללת במים.
תא ניקל קדמיום – האלקטרודות עשויות ניקל וקדמיום והטענתן נעשית על ידי הזרמת זרם חשמלי דרכן והוא מפרק את התרכובות הכימיות שנוצרו בעת פעולתן. עם פיתוחו של תא ניקל מטאל הידריד פחת השימוש בתאי ניקל קדמיום ממספר סיבות: רעילות הקדמיום, קיבולת נמוכה, יש לפרוק את הסוללה לפני הטענתה כדי להתגבר על התופעה של “זיכרון מחזור העבודה” המקטין את הקיבולת שלה, וכן אורך החיים הקצר.(תא אחד לא תקין במארזים שהכילו מספר תאים גרם לכך שכל המארז לא עבד וכן הוא היה מקלקל תאים אחרים בניסיונות של פריקה וטעינה של המארז.)
תא ניקל מטאל הידריד (NiMH) – דגם זה הוא השכיח ביותר מבין הסוללות הנטענות במכשירי חשמל קטנים. האלקטרודות עשויות ניקל ותערובת של מתכות. האלקטרוליט הוא בסיס חזק.
הסוללות מגיעות בגדלים שונים, במתחים שונים וצורות שונות, רובן עגולות.
תא עופרת-חומצה – המצבר המצוי במכוניות הוא למעשה סוללה נטענת המכילה בדרך כלל 6 תאים עבור מתח עבודה של 12 וולט, האלקטרודות שבו עשויות עופרת והאלקטרוליט שבו הוא חומצה גופרתית מדוללת במים.
תא ניקל קדמיום – האלקטרודות עשויות ניקל וקדמיום והטענתן נעשית על ידי הזרמת זרם חשמלי דרכן והוא מפרק את התרכובות הכימיות שנוצרו בעת פעולתן. עם פיתוחו של תא ניקל מטאל הידריד פחת השימוש בתאי ניקל קדמיום ממספר סיבות: רעילות הקדמיום, קיבולת נמוכה, יש לפרוק את הסוללה לפני הטענתה כדי להתגבר על התופעה של “זיכרון מחזור העבודה” המקטין את הקיבולת שלה, וכן אורך החיים הקצר.(תא אחד לא תקין במארזים שהכילו מספר תאים גרם לכך שכל המארז לא עבד וכן הוא היה מקלקל תאים אחרים בניסיונות של פריקה וטעינה של המארז.)
תא ניקל מטאל הידריד (NiMH) – דגם זה הוא השכיח ביותר מבין הסוללות הנטענות במכשירי חשמל קטנים. האלקטרודות עשויות ניקל ותערובת של מתכות. האלקטרוליט הוא בסיס חזק.
הסוללות מגיעות בגדלים שונים, במתחים שונים וצורות שונות, רובן עגולות.
קיבולת של סוללה
הקיבולת של סוללה נמדדת ביחידות של Ah (אמפר שעה). כלומר, סוללה שכתוב עליה שהיא בעלת קיבולת של 1Ah מציין שהיא מסוגלת לספק זרם של 1A במשך שעה אחת של עבודה רצופה. לדוגמה, מכשיר אלקטרוני שצורך 100mA, וניזון מסוללה שהקיבולת שלה 1300mAh, ירוקן את הסוללה תוך 13 שעות עבודה. עם זאת ראוי לציין שמידע המופיע על מכשירים באשר לתצרוכת החשמל שלהם, מציין לרוב את התצרוכת המקסימלית, ולא הממוצעת.
הקיבולת של סוללה נמדדת ביחידות של Ah (אמפר שעה). כלומר, סוללה שכתוב עליה שהיא בעלת קיבולת של 1Ah מציין שהיא מסוגלת לספק זרם של 1A במשך שעה אחת של עבודה רצופה. לדוגמה, מכשיר אלקטרוני שצורך 100mA, וניזון מסוללה שהקיבולת שלה 1300mAh, ירוקן את הסוללה תוך 13 שעות עבודה. עם זאת ראוי לציין שמידע המופיע על מכשירים באשר לתצרוכת החשמל שלהם, מציין לרוב את התצרוכת המקסימלית, ולא הממוצעת.
הרכבת סוללה בבית:
הכנס את פיסת האבץ והנחושת אלקטרודות לתוך כלי הזכוכית עם תמיסת מי המלח, כך שהן נמצאות מ 2 צדדי הכוס, ואינן נוגעות אחת בשנייה. בניית סוללה מלימון, תפוז, או אפילו תפוח אדמה טרי: הכנס את פיסת האבץ והנחושת אל תוך לימון טרי אפשר גם כוס זכוכית עם מעט מיץ לימון טבעי או מיץ תפוזים .ניתן לחבר מספר סוללות מסוג זה בטור לקבלת מתח של מספר וולטים. בצורה זו ניתן להפעיל שעון דיגיטלי. החומר המרכיב את הפרי מכיל חומצה המשמשת כאלקטרוליט, בדומה למי המלח.
מהו עקרון הפעולה של סוללה חשמלית “רטובה” מאבץ ונחושת?
בתוך האלקטרוליט נעים יונים ואילו האלקטרונים עוברים במעגל החשמלי החיצוני זרם חשמלי. במעגל החיצוני עוברים אלקטרונים מהאבץ המשמש אלקטרודה שלילית לנחושת המשמשת אלקטרודה חיובית. בתוך הסוללה החשמלית מתבצעת תנועה של יונים באלקטרוליט ליצירת מעגל חשמלי סגור.
תא חשמלי סוללה המורכב מ 6 מטבעות אמריקאים שמים עיתון רטוב במי מלח בין מטבע של 1 סנט אמריקאי העשוי מנחושת לבין מטבע של 5 סנט ניקל אמריקאי. בין שתי המטבעות ייוצר מתח חשמלי. ניתן לבנות מערך סוללות באמצעות מגדל המורכב ממטבע נחושת, ניר ספוג במי מלח, ומטבע עשוי אבץ או ניקל.
סוללה מסחרית פשוטה מורכבת מפחם ואבץ כאלקטרודות. בדרך כלל נמצא במרכז הסוללה מוט עשוי מגרפיט , והמעטפת שלה עשויה מאבץ. ביניהם נמצא חומר מוליך יונים. הסוללות המסחריות מכילות את מוליך היונים במצב מוצק ולא כנוזל, ולכן נקראות: “תא יבש”. הן מכילות אבקת אמוניום כלוריד לחה. או אבץ כלורי , או תחמוצת מנגן .
סוללות נטענות מורכבות מעופרת וחומצה כמו במצבר הרכב, או מניקל וקדמיום כמו במכשירים הניידים. קיימות גם סוללות נטענות מחומרים נוספים כגון: ליתיום, כספית, וכו’.
בסולן קיימים מגוון סוללות לכל יישום בקרו בקטגורית סוללות להתרשמות