BATERIJE E-UČNA ENOTApefprints.pef.uni-lj.si/4246/1/DIPLOMA_ŠTIRN_SIMONA.pdfII POVZETEK Baterije...

UNIVERZA V LJUBLJANI

PEDAGOŠKA FAKULTETA

BIOTEHNIŠKA FAKULTETA

FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA

Študijski program: Kemija in biologija

BATERIJE – E-UČNA ENOTA

BATTERIES – AN E-LEARNING UNIT

DIPLOMSKO DELO

Mentor: doc. dr. Boštjan GENORIO Kandidatka: Simona ŠTIRN

Somentor: doc. dr. Ivan JERMAN

Ljubljana, september 2016.

I

ZAHVALA

Rada bi se zahvalila vsem, ki so mi tekom študija kakorkoli pomagali ali me spodbujali.

Najprej mami, sestrama in bratu za vso pomoč in podporo, nato še Bernardu, Matevţu in

Jakobu za potrpljenje in razumevanje.

Posebna zahvala pa gre obema mentorjema za pomoč in strokovno vodenje, Andreji za skrben

pregled in lektoriranje ter Maji za prevod povzetka.

II

POVZETEK

Baterije so sinonim za večjo mobilnost, olajšale so nam vsakodnevna opravila, skrb za

zdravje, rešujejo nam ţivljenja, posredno pa nas tudi zabavajo. Brez baterij ali drugih

prenosnih virov energije (gorivne celice, superkondenzatorji), si današnjo druţbo teţko

predstavljamo. Ne le v prenosnih napravah, baterije postajajo vse bolj pomembne tudi pri

shranjevanju energije, pridobljene iz obnovljivih virov za tisti čas, ko pridobivanje energije ni

mogoče (noč, brezvetrje) ali ob izpadih oz. preobremenitvah električnega omreţja.

Različne projekcije kaţejo, da se bo njihova uporaba v prihodnosti eksponentno povečala.

Povod za izdelavo diplomskega dela je bila pomembnost baterij za našo druţbo, razumevanje

njihovega delovanja, dejstvo, da za veliko otrok končanje osnovne šole pomeni tudi konec

splošnega izobraţevanja ter hipoteze, da te vsebine zaradi hitrega razvoja v zadnjem času še

niso dovolj dobro pokrite v učnem načrtu.

Namen diplomskega dela je proučiti strokovno literaturo za področje baterij, proučiti trenutno

dostopne učbenike za osnovne šole na temo baterij in na podlagi izsledkov pripraviti učno

enoto, ki bo omogočala učencem osnovne šole pridobiti osnovna znanja s področja baterij. Z

namenom pokritja še širšega kroga populacije, je priprava učnega gradiva z vizualizacijo

osnovnih procesov v bateriji, predstavljena tudi na medmreţju.

V prvem delu diplomskega dela se najprej seznanimo s teoretično podlago za nastanek učne

enote. V analizi so podani podatki iz učnega načrta za naravoslovje, tehniko in tehnologijo,

kemijo ter fiziko, nato še izpiski iz učbeniških kompletov potrjenih učbenikov v tiskani obliki

za šolsko leto 2015/2016, ki se dotikajo teme baterij. Sledi priprava učne enote z eksperimenti

in predlog za umestitev teme o baterijah in njihovem delovanju v učni načrt za kemijo.

Vedoţeljni lahko tematiko ponovijo na medmreţju v interaktivni obliki. Priloge diplomskega

dela omogočajo učitelju izvedbo učne enote na temo baterij.

Ključne besede: galvanski člen, baterije, kemijske reakcije, e-učna enota.

III

ABSTRACT

Batteries are synonymous for greater mobility. They facilitate our everyday activities, health

issues, save our lives and indirectly they also entertain us. It is difficult to imagine today's

society without batteries or other transmission energy sources (fuel cells, super capacitors).

Not only in portable devices, batteries are becoming increasingly important for the storage of

energy generated from renewable sources, especially when energy recovery is not possible (at

night, no wind), or when there is a failure or overloaded electrical network.

Various projections show that their use will increase exponentially in the future.

The main reason for the thesis was the importance of batteries for our society and

understanding of their functioning. For many children the completion of primary school also

means the end of general education and therefore the hypothesis that these contents have not

yet been covered in the curriculum due to the rapid development recently, is also very

important.

The purpose of the thesis is to examine the scientific literature in the field of batteries, to

consider the currently available textbooks for primary schools on the topic of batteries and to

prepare a teaching unit, based on findings, which will enable primary school students to

acquire basic knowledge in the field of batteries. In order to cover even a wider range of the

population the preparation of teaching materials by visualizing basic processes in batteries is

also presented on the Internet.

In the first part of the thesis we get acquainted with the theoretical basis for the formation of

the teaching unit. The analysis presents data from the curriculum in science, engineering and

technology, chemistry and physics. Then the extracts from the textbook sets of approved

textbooks in printed form for the academic year 2015/2016 in relation to the topics of

batteries are presented. This is followed by preparing lesson plans and experiments with

suggestions for inserting the topic of batteries and their functioning in the curriculum for

chemistry. Anyone eager for knowledge can repeat the topic on the Internet in an interactive

format. Enclosed items of thesis allow the teacher to carry out teaching unit on batteries.

Keywords: galvanic cell, batteries, chemical reactions, e-learning unit.

IV

KAZALO SLIK

Slika 1: Bagdadska baterija ................................................................................................ - 3 -

Slika 2: Voltov stolp .......................................................................................................... - 4 -

Slika 3: Cruickshankova baterija v leseni škatli ................................................................. - 4 -

Slika 4: Daniellov člen ...................................................................................................... - 5 -

Slika 5: Kristalizacija kadmijevega hidroksida: a) nova baterija z amorfnim kadmijevim

hidroksidom, b) nastanek kristalov, c) obnovljena anoda. ............................................... - 16 -

Slika 6: Najpogostejše oblike baterij. ............................................................................... - 17 -

Slika 7: Različne oblike in velikosti baterij: 4.5-volt, D, C, AA, AAA, AAAA, A23, 9-volt,

CR2032 in LR44. ............................................................................................................ - 18 -

Slika 8: Panasonicova NiMH eneloop baterija. ................................................................ - 28 -

Slika 9: Iztekanje baterije. ............................................................................................... - 36 -

Slika 10: Nabrekla litij-ionska baterija. ............................................................................ - 36 -

Slika 11: Znak za ločeno zbiranje za vse odpadne baterije in akumulatorje je prečrtan izvlečni

zabojnik za odpadke. ....................................................................................................... - 38 -

Slika 12: Zbiralniki za iztrošene baterije dveh različnih podjetij. ..................................... - 38 -

Slika 13: Bakrov sulfid, bakrova ploščica, cinkov sulfid in cinkova ploščica.................... - 68 -

Slika 14: Stanje elektrod in elektrolita ter napetost člena 3. dan eksperimenta. ................. - 68 -

Slika 15: Pripomočki, napetost enega in petih členov. ...................................................... - 69 -

Slika 16: Sestavljena baterija z LED ţarnico, izgled izrabljenih kovancev. ...................... - 70 -

Slika 17: Napetost enega člena pri limoni. LED ţarnica dobro sveti ţe pri tretjem členu, vidi

se padec napetosti zaradi bremena. Napetost petih členov. .............................................. - 71 -

Slika 18: Različne vrednosti napetosti pri čebuli, krompirju, mandarini in paradiţniku. ... - 71 -

Slika 19: Pripomočki in vrtenje elektromotorčka. ............................................................ - 72 -

KAZALO SHEM

Shema 1: Galvanski člen [12]. ........................................................................................... - 8 -

Shema 2: Daniellov člen. ................................................................................................. - 10 -

Shema 3: Suhi Leclanchejév člen v prerezu [27]. ............................................................. - 20 -

Shema 4: Alkalna baterija [14]. ....................................................................................... - 21 -

Shema 5: Prečni prerez ţivosrebrove baterije [27]. .......................................................... - 22 -

Shema 6: Prečni prerez srebrove baterije [27]. ................................................................. - 22 -

Shema 7: Cink-zrak baterija [14]. .................................................................................... - 23 -

Shema 8: Li/MnO2 baterija v cilindrični in gumbasti obliki [27]. ..................................... - 24 -

Shema 9: Prerez svinčevega akumulatorja [27]. ............................................................... - 26 -

Shema 10: a) Nastanek dendritov v litij-kovinski bateriji. b) Plastovita struktura anode v litij-

ionski bateriji preprečuje nastanek dendritov z vgradnjo litijevih ionov med plasti [26]. .. - 30 -

Shema 11: Shematski prikaz Li-ionske baterije [10] prirejeno po [8]. .............................. - 31 -

Shema 12: Struktura katodnih materialov: (a) plastovita struktura LiMnxNiyCozO2; (b)

špinelna struktura LiMn2O4; (c) olivinska struktura LiFePO4 [30]. ................................... - 31 -

Shema 13: Seznam elektrodnih materialov in vrst elektrolitov za polnilne Li-ionske baterije

[4]. .................................................................................................................................. - 32 -

Shema 14: Oblika in sestavni deli različnih litij-ionskih baterij [26]. ................................ - 33 -

Shema 15: Razvoj pametnih omreţij [53]. ....................................................................... - 40 -

V

Shema 16: Vizija pametnih mest. ..................................................................................... - 41 -

Shema 17: Shematski prikaz uporabe hišnih hranilnikov [52]. ......................................... - 41 -

Shema 18: Zaščita katalizatorja v gorivnih celicah [9]. .................................................... - 43 -

Shema 19: Znaki za nevarnost snovi. ............................................................................... - 67 -

KAZALO TABEL

Tabela 1: Mejniki pri zgodovinskem razvoju baterij .......................................................... - 7 -

Tabela 2: Napetostna vrsta kovin in standardni elektrodni potenciali pri 25 °C [14] ......... - 12 -

Tabela 3: Napetosti in volumetrične ter gravimetrične kapacitete nekaterih najbolj pogostih

galvanskih členov [12] prirejeno po [14]. ......................................................................... - 14 -

Tabela 4: Napetost in moţne kemijske reakcije v gorivnih celicah ob različnih gorivih [14]. .. -

35 -

KAZALO GRAFOV

Graf 1: Primerjava specifične energije med sekundarnimi in primarnimi baterijami [3]. .. - 14 -

Graf 2: Tipična krivulja praznjenja baterije prikazuje vpliv različnih tipov polarizacije [28]. .. -

15 -

Graf 3: Razvoj primarnih baterij [14]. .............................................................................. - 19 -

Graf 4: Različne cink-ogljikove baterije pri kontinuiranemu praznjenju ob uporu 150 ohm in

temperaturi 20°C [14]. ..................................................................................................... - 20 -

Graf 5: Primerjava suhega člena in alkalne baterije pri normalni obremenitvi [14]. .......... - 21 -

Graf 6: Primerjava različnih tipov sekundarnih baterij glede na razpon njihove volumetrične

(Wh/l) in gravimetrične (Wh/kg) energijske gostote [26]. ................................................ - 25 -

Graf 7: Primerjava specifične energije med svinčevim akumulatorjem, NiCd in NiMH ter Li-

ionskimi baterijami. ......................................................................................................... - 34 -

KAZALO PRILOG

Priloga 1: Katalog potrjenih učbenikov za šolsko leto 2015/2016 [40]. ............................ - 90 -

Priloga 2: Učni listi za eksperimente. ............................................................................... - 93 -

VI

KAZALO VSEBINE

1 UVOD ..................................................................................................................................... - 1 -

1.1 OPREDELITEV PROBLEMA ............................................................................................... - 1 -

1.2 CILJI DIPLOMSKEGA DELA ............................................................................................... - 1 -

1.3 RAZISKOVALNA VPRAŠANJA OZIROMA HIPOTEZE ........................................................... - 2 -

1.4 RAZISKOVALNA METODA ................................................................................................ - 2 -

2 PREDSTAVITEV TEMELJNIH POJMOV ...................................................................................... - 3 -

2.1 ZGODOVINA BATERIJ ...................................................................................................... - 3 -

2.2 GALVANSKI ČLEN ............................................................................................................ - 8 -

2.2.1 DELOVANJE GALVANSKEGA ČLENA.........................................................................- 10 -

2.3 KARAKTERISTIKE BATERIJ ...............................................................................................- 12 -

2.3.1 ELEKTRIČNA NAPETOST ..........................................................................................- 12 -

2.3.2 PROSTA ENTALPIJA ................................................................................................- 13 -

2.3.3 KAPACITETA BATERIJE ............................................................................................- 13 -

2.3.4 GOSTOTA ENERGIJE ...............................................................................................- 14 -

2.3.5 NOTRANJE IZGUBE IN "IR-PADEC" ..........................................................................- 15 -

2.3.6 ŽIVLJENJSKA DOBA BATERIJE ..................................................................................- 15 -

2.3.7 SPOMINSKI EFEKT ..................................................................................................- 16 -

2.4 OBLIKA IN VELIKOST BATERIJ .........................................................................................- 17 -

2.5 TIPI BATERIJ IN UPORABA ..............................................................................................- 19 -

2.5.1 PRIMARNE BATERIJE ..............................................................................................- 19 -

2.5.2 SEKUNDARNE BATERIJE..........................................................................................- 25 -

2.5.3 GORIVNE CELICE ....................................................................................................- 35 -

2.6 PRIPOROČILA ZA VARNO UPORABO BATERIJ ..................................................................- 36 -

2.7 NASVETI ZA ROKOVANJE Z BATERIJAMI .........................................................................- 37 -

2.8 EKOLOGIJA ....................................................................................................................- 38 -

2.9 RAZVOJ BATERIJ IN PRIHODNOST...................................................................................- 40 -

VII

3 SPECIALNODIDAKTIČNI DEL ...................................................................................................- 44 -

3.1 ANALIZA UČNIH NAČRTOV IN UČBENIŠKIH KOMPLETOV ................................................- 44 -

3.1.1 NARAVOSLOVJE 6 ..................................................................................................- 44 -

3.1.2 TEHNIKA IN TEHNOLOGIJA 7 ..................................................................................- 48 -

3.1.3 KEMIJA 8 ................................................................................................................- 50 -

3.1.4 FIZIKA 9..................................................................................................................- 56 -

3.1.5 POVZETEK ..............................................................................................................- 60 -

3.2 PREDLOG UMESTITVE TEME V UČNI NAČRT KEMIJE .......................................................- 61 -

3.3 PRIPRAVA UČNE ENOTE .................................................................................................- 62 -

3.3.1 UČITELJEVA PRIPRAVA ...........................................................................................- 62 -

3.3.2 EKSPERIMENTALNI DEL ..........................................................................................- 67 -

3.3.3 E-UČNA ENOTA ......................................................................................................- 73 -

4 SKLEP ....................................................................................................................................- 85 -

5 LITERATURA ..........................................................................................................................- 86 -

6 PRILOGE ................................................................................................................................- 90 -

Baterije – e-učna enota Simona Štirn

- 1 -

1 UVOD

1.1 OPREDELITEV PROBLEMA

Po pregledu posodobljenih osnovnošolskih učnih načrtov za naravoslovje, kemijo, fiziko ter

tehniko in tehnologijo smo ugotovili, da učni načrt ne predvideva samostojne teme o baterijah

in njihovem delovanju.

Baterije so gonilo zelenih, alternativnih virov energije. Otroci jih uporabljajo v nešteto

prenosnih napravah ţe od prvih dni svojega ţivljenja. Učenci v osnovni šoli vsakodnevno

uporabljajo elektronske naprave (pametni telefoni, tablice, prenosni računalniki), katerih

optimalno delovanje je odvisno od vzdrţljivosti baterij in njihove pravilne uporabe.

Z novimi tehnologijami izdelave baterij so nam cenovno bliţje tudi električni avtomobili, ki

bodo predvsem v mestih pripomogli k manjši onesnaţenosti zraka.

Kljub temu, da so baterije prisotne v vsakdanji in mnoţični uporabi, pa so za uporabnike še

vedno velika neznanka.

Pomembno se nam zdi, da otroke ţe v osnovni šoli poučimo o baterijah, jih naučimo varnega

rokovanja in vzdrţevanja, opozorimo na pravilno odlaganje odsluţenih baterij in nevarnosti

pri uporabi. Hkrati pa jim lahko pokaţemo tudi zabavne eksperimente, ki bodo njihovo znanje

in razumevanje o baterijah še dodatno poglobili.

1.2 CILJI DIPLOMSKEGA DELA

izdelati interaktivno učno enoto, s katero se bodo učenci poučili o primarnih in

sekundarnih baterijah.

pripraviti enostavne ter varne eksperimente, ki jih bodo lahko učenci izvajali v šoli.

pripraviti vizualizacijo delovanja litijeve baterije iz makro na mikro nivo.

teoretični del diplomskega dela pripraviti kot obseţen priročnik za učitelja in učence, ki

bi ţeleli razširiti ali poglobiti znanje in razumevanje o baterijah.

pripraviti analizo osnovnošolskih učbenikov za naravoslovje, tehniko in tehnologijo,

fiziko in kemijo, koliko se učenci o baterijah poučijo glede na to, kateri učbenik

uporabljajo.

pripraviti predlog za umestitev učne teme o baterijah v učni načrt.


- 2 -

1.3 RAZISKOVALNA VPRAŠANJA OZIROMA HIPOTEZE

Ali se učenci v osnovni šoli dovolj dobro poučijo o baterijah, njihovi sestavi, načinu

delovanja, varnem rokovanju, vzdrţevanju, nevarnostih ob napačni uporabi ter pravilnem

odlaganju odsluţenih baterij?

Ali se učenci v osnovni šoli naučijo izdelati enostavno baterijo iz pripomočkov, ki jih

najdejo v vsakdanjem ţivljenju?

Ali znajo učenci pri pouku kemije uporabiti baterije pri eksperimentih?

1.4 RAZISKOVALNA METODA

Uporabili bomo deskriptivno metodo dela z zbiranjem, kritično presojo in analizo domače in

tuje strokovne literature, člankov ter virov na svetovnem spletu. Z njo bomo opisali teorijo,

dejstva ter pojme. S pomočjo preučenega gradiva bomo pridobljene ugotovitve uporabili pri

načrtovanju eksperimentalnega dela in izdelavi interaktivne učne enote.


- 3 -

2 PREDSTAVITEV TEMELJNIH POJMOV

2.1 ZGODOVINA BATERIJ

Uporaba baterij je bila dobro uveljavljena še pred vzpostavitvijo električnega omreţja.

Moderna znanost priznava Alessandra Volta kot izumitelja prvega galvanskega člena, vendar

obstaja verjetnost, da so baterije izumili ţe prej.

Leta 1936 so v bliţini Bagdada med gradnjo ţeleznice izkopali okoli 20 cm visok glinen vrč,

star okoli 2000 let, iz obdobja Partskega cesarstva. Vrč so poimenovali "bagdadska baterija".

V glineni vrč je bila vstavljena bakrena cev z ţelezno palico v sredini. Če vanj nalijemo kis,

deluje kot galvanski člen z napetostjo od 1 do 2 volta (V).

Poraja se vprašanje, kaj so pred 2000 leti lahko počeli z galvanskimi členi. Ker uporabe

elektrike v starodavnih časih ne moremo dokazati, je najverjetnejša razlaga galvansko

srebrenje oz. zlatenje nakita [3].

Slika 1: Bagdadska baterija

Odkritje galvanskega člena, osnovne enote baterije, pa ni povezano s kemijskimi

eksperimenti, temveč z medicinskimi.

Okoli leta 1780 je Luigi Galvani pri eksperimentiranju z ţabjimi kraki opazil njihove

premike, če se je dotaknil izpostavljenega ţivca na dveh mestih, z dvema različnima

kovinama. Menil je, da elektrika pride iz ţabjega kraka in pojav poimenoval ţivalska

elektrika.

Galvanijeve eksperimente je preizkusil tudi Volta in ugotovil, da pojavi niso vezani na ţivali

ter, da se kraki skrčijo zaradi dveh različnih kovinskih prevodnikov in elektrolita, kot so

raztopine kislin, baz ali soli, med njima [21].


- 4 -

Rezultati so ga navdušili za nadaljnje raziskovanje in privedli do izuma prve baterije, danes

imenovane Voltov stolp. Sestavil ga je iz ploščic cinka in srebra, medsebojno ločenih s

tkanino ali kartonom, namočenim v slanico. Preizkušal je več različnih kombinacij kovin in

ugotovil, da dobi najboljše rezultate z bakrom in cinkom, kot elektrolit pa je uporabil

razredčeno ţveplovo(VI) kislino.

Člen, sestavljen iz dveh kovin in elektrolita med njima, imenujemo galvanski člen, čeprav bi

bilo verjetno ustreznejše ime Voltov člen. Vezavo več členov skupaj imenujemo baterija.

Volta je s svojim stolpom dokazal, da je mogoče elektriko generirati s pomočjo kemijskih

reakcij. S svojim izumom je spodbudil hiter napredek na področju elektrike in navdušil celo

Napoleona Bonaparteja, ki je Volti podelil plemiški naziv [3].

Slika 2: Voltov stolp

Voltove prvotne baterije niso bile varne in so imele kratko ţivljenjsko dobo. Zaradi teţe

kovinskih diskov je iztekal elektrolit in povzročal kratke stike. To teţavo je leta 1802 odpravil

William Cruickshank s prvo baterijo, ki je bila pripravljena za masovno proizvodnjo. V dolgo

leseno škatlo je v utore namestil enako velike plošče bakra in cinka, jih zatesnil in natočil

slanico ali razredčeno kislino ter škatlo zaprl s pokrovom [3].

Slika 3: Cruickshankova baterija v leseni škatli


- 5 -

Kratki stiki zaradi elektrolita pa niso bili edina teţava Voltovega stolpa. Elektroliza elektrolita

in nastanek vodikovih mehurčkov sta bila velik varnostni problem, ki ga je leta 1836 izboljšal

John Frederic Daniell z uporabo dveh različnih elektrolitov, bakrovega sulfata in ţveplove

kisline, ki ju je ločil z lončeno posodo. Porozna lončena posoda je omogočala izmenjavo

ionov, ne da bi se elektrolita mešala. Elektrodi sta bili bakrena posodica in cinkova ploščica.

Daniellov člen je bil veliko bolj varen, zato so ga uporabljali v telegrafskih postajah.

Slika 4: Daniellov člen

Christian Friedrich Schönbein je leta 1838 objavil princip delovanja gorivne celice, Robert

Grove pa je leto kasneje izdelal prvo predhodnico. Zaradi strupenih produktov takrat niso šle

v širšo proizvodnjo, z odkritjem postopka utekočinjanja vodika, pa so postale zanimive dobro

stoletje kasneje, saj jih je začela uporabljati NASA na vesoljskih potovanjih kot vir električne

energije in pitne vode za astronavte [3].

Leta 1859 je francoski fizik Gaston Planté izumil prvo baterijo s svinčevima elektrodama, ki

jo je bilo mogoče zopet napolniti s priključitvijo na zunanji vir napetosti. Najprej jo je

priključil na baterijo drugih galvanskih členov, kmalu pa so za polnjenje začeli uporabljati

dinamostroj. V skoraj nespremenjeni obliki se uporablja še danes. Do takrat so bile vse

baterije primarne, torej se jih ni dalo ponovno napolniti [3].

Različni znanstveniki so poskušali z raznimi kombinacijami elektrod in elektrolitov dobiti

čim boljše baterije, kar je leta 1866 najbolje uspelo Francozu Georgesu Leclanchéju s

kombinacijo ogljika in manganovega dioksida za katodo, cinka za anodo ter amonijevega

klorida kot elektrolita [3]. Leclanchéjev člen je bil pomemben mejnik na poti k suhemu členu.

V naslednjih letih so znanstveniki posvetili precej časa razvoju suhih členov. V baterijah je bil

elektrolit v tekočem stanju, zato se jih ni dalo namestiti v poljubnem poloţaju.

Prvi prototipi suhega člena so se pojavili leta 1812. Vsebovali so vpojne materiale, kot so

celuloza, ţagovina ali azbestna vlakna in so elektrolitu preprečevali razlitje [17].

Prvo suho celico je leta 1886 pripravil Carl Gassner kot izboljšan Leclanchéjev člen.

Iz amonijevega klorida in mavca je pripravil gosto pasto ter jo s katodo iz manganovega

oksida in grafitno palčko zaprl v cinkov lonček, ki je bil hkrati tudi anoda. Gassnerjeva


- 6 -

cink-ogljikova baterija je ostala konstrukcijsko nespremenjena in je sluţila kot podlaga za

alkalne baterije, ki jih uporabljamo še danes [17]. Gassnerjev tip suhega člena je prišel v

mnoţično izdelavo s prvo električno svetilko okrog leta 1900 [12].

Leta 1899 je švedski znanstvenik Waldemar Junger izumil nikelj-kadmijevo baterijo (NiCd),

z nikljem kot katodo, kadmijem kot anodo ter kalijevim hidroksidom kot elektrolitom.

Mogoče jo je bilo ponovno napolniti, imela je večjo energijsko gostoto kot svinčeva, vendar

je bila draţja. Bila je prva baterija z alkalnim elektrolitom [3].

Junger je v istem letu izumil tudi nikelj-ţelezovo baterijo, vendar je zaradi pomanjkljivosti ni

patentiral, kar pa je izkoristil Thomas Alva Edison.

Edison je ţelel z laţjo baterijo prodreti na trg električnih avtomobilov, vendar kupcev zaradi

puščanja, hitre samoizpraznitve ter slabega delovanja pri nizkih temperaturah ni prepričal. V

sedmih letih, kolikor jih je potreboval za izboljšavo, ga je z bolj zanesljivim bencinskim

modelom T prehitel Ford. Kljub temu je Edisonova baterija dosegla velik uspeh na nekaterih

področjih, predvsem v ţelezniški signalizaciji [37].

Lewis Urry je leta 1949 izdelal baterijo iz manganovega dioksida kot katodo in cinka v prahu

kot anodo v alkalnem mediju. Uporaba cinka v prahu je povečala efektivno površino anode in

podaljšala čas delovanja baterije. Te alkalne baterije so po letu 1959 doţivele velik

komercialni uspeh, saj so bile majhne in so imele dolgo ţivljenjsko dobo.

Do devetdesetih let 20. stoletja so bile NiCd baterije edine baterije v prenosnih napravah, ki

so se lahko polnile. Zaradi toksičnosti kadmija so jih zamenjale nikelj-metal hidridne baterije

(NiMH), ki so okoljsko bolj sprejemljive, manjše in imajo daljšo ţivljenjsko dobo.

Danes večinoma uporabljamo litijeve baterije. Litij je najbolj elektronegativen element z

majhno gostoto, zato je v teoriji najbolj idealen element za baterije [3].

Prve litijeve baterije so bile primarne. Gilbert Newton Lewis je ţe leta 1912 začel z

eksperimenti, za širšo uporabo pa so jih razvili v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja.

Najprej so jih uporabljali predvsem v vojski, kasneje pa so zaradi dolge ţivljenjske dobe in

konstantne napetosti prešle tudi v vsakdanjo rabo [3].

Litijeve sekundarne baterije so imele na začetku anodo iz kovinskega litija. Sistem ni bil

varen zaradi nastajanja neenakomernih izrastkov na anodi, dendritov, ki so povzročali kratke

stike in eksplozije. Z dodatkom aluminija, so to teţavo sicer odpravili, a so baterije zaradi

sprememb prostornine ţe po nekaj ciklih odpovedale.

Leta 1991 je Sony na trg poslal prvo litij-ionsko baterijo z grafitno anodo in katodo iz

litijevega kobaltata LiCoO2. Razvoj litij-ionskih baterij se je nadaljeval z iskanjem

primernejših katod, kot npr. litij mangan oksida LiMn2O4, litij-ţelezovega fosfata LiFePO4,

litijevega titanata Li4Ti5O12 ter primernejšega elektrolita, v smer litij-ionskih polimernih Li-

Poly baterij. Te so sicer tanjše in laţje, vendar trenutno še manj zmogljive in draţje [10].


- 7 -

Tabela 1: Mejniki pri zgodovinskem razvoju baterij

Leto Izumitelj Dejavnost

250 pr.n.š neznan Bagdadska baterija

1800 Alessandro Volta Izum galvanskega člena, Voltov stolp

1802 William Cruickshank Prva baterija za masovno proizvodnjo

1836 John F. Daniell Daniellov člen

1839 Robert Grove Prva gorivna celica

1859 Gaston Planté Svinčev akumulator, prva polnilna baterija

1866 Georges Leclanché Leclanchejev člen

1886 Carl Gassner Prvi suhi člen

1899 Waldemer Junger NiCd baterija

1903 Thomas A. Edison NiFe baterija

1949 Lewis Urry Alkalna baterija

1973 SAFT Li primarna baterija

1990 Stanford R. Ovshinsky NiMH baterija

1991 Sony Li-ion baterija

1994 Belcore Li-Poly baterija

1996 Univerza v Texasu LiFePO4 baterija

2002 Univerza v Montrealu, MIT Izboljšana LiFePO4 baterija z nanotehnologijo


- 8 -

2.2 GALVANSKI ČLEN

Galvanski člen je naprava, ki pretvarja kemijsko energijo iz aktivnih snovi neposredno v

električno energijo s pomočjo elektrokemijskih oksidacijsko-redukcijskih (redoks) reakcij. Te

reakcije potekajo spontano, ko je nanje priključen porabnik.

Vsaka baterija je sestavljena iz enega ali več galvanskih členov. Glavna razlika med

posameznimi baterijami je v materialih, ki so uporabljeni za katodo, anodo oz. elektrolit.

Različni materiali dajejo baterijam različne lastnosti. Le pri določenih vrstah uporabljenih

materialov je moţno obrniti kemijski proces, ki poteka pri praznjenju in s tem baterijo

ponovno napolniti.

Izraz baterija pogovorno uporabljamo tudi za le en galvanski člen, čeprav je pravilnejši takrat,

ko imamo vezanih več galvanskih členov. Posamezne člene lahko veţemo zaporedno,

vzporedno ali oboje, odvisno od ţelene izhodne napetosti in zmogljivosti.

Z galvanskim členom pridobivamo enosmerni električni tok, ki ga lahko uporabimo za

opravljanje dela. Električni naboj v raztopinah elektrolitov prenašajo ioni, v kovinah pa

elektroni. Energija eksotermne reakcije se pretvarja v električno energijo [14].

GALVANSKI ČLEN je v osnovi sestavljen iz:

negativne elektrode – anode

pozitivne elektrode – katode

elektrolita

separatorja

prevodnika

Elektroda je običajno iz kovine, lahko pa uporabimo tudi kakšen drug prevodnik (grafit) ali

polprevodnik. V elektrodah so nosilci električnega naboja elektroni. Izberemo kombinacijo

materialov, ki bodo najlaţji in za katere je razlika elektrodnih potencialov čim večja,

komponente pa morajo biti prilagojene različnim standardiziranim oblikam baterij. Take

kombinacije ni vedno enostavno najti, saj se moramo izogniti:

a) reaktivnosti materialov z ostalimi komponentami v bateriji,

b) visoki ceni in stroškom obdelave,

c) polarizaciji,

d) teţavam pri rokovanju in

e) škodljivim vplivom na okolje.

Za delovanje baterij je zelo pomembno, da je površina elektrode čim večja, kar pa lahko

doseţemo s poroznimi materiali [14].

Na elektrodi izmenjava elektronov poteka na fazni meji med kovino in raztopino, kjer

električni naboj prehaja iz ene faze v drugo. Prenos elektrona iz kovine na ione v raztopini je

elektrokemijska reakcija, pri kateri se spreminjajo oksidacijska števila snovi, ki sodelujejo v

elektrokemijski reakciji.

Shema 1: Galvanski člen [12].


- 9 -

Anoda je elektroda, ki odda elektron zunanjemu vezju, zato na njej poteka oksidacija. Za

anodo izberemo čim boljši reducent, kot sta npr. cink in litij. Litij ima najbolj

elektronegativen potencial, je najboljši reducent in najlaţja kovina [14]. Če bi primerjali litij s

svincem, ki je več kot dvajsetkrat gostejši od litija, lahko predvidimo, da v svinčev

akumulator shranimo le eno dvajsetino energije, kot v enako teţak litijev akumulator [17].

Katoda je elektroda, ki iz zunanjega vezja sprejema elektrone, zato na njej poteka redukcija.

Za katodo izberemo čim boljši oksidant, kar pa so običajno kovinski oksidi, lahko pa

uporabimo tudi kisik iz zraka (cink-zrak baterije) [14].

V teoriji bi bila najboljša katoda fluorova. Baterij, sestavljena iz litijeve in fluorove elektrode,

bi imela napetost skoraj 6 V, vendar je preveč nevarna za uporabo. Fluor takoj reagira z

večino snovi, s katero pride v stik, pri sobni temperaturi in tlaku pa je v plinastem stanju, kar

še poveča njegovo reaktivnost [17].

Elektrolit mora biti dober ionski prevodnik in hkrati dober elektronski izolator, saj bi sicer

lahko dobili notranje kratke stike. Elektrolit mora biti kemijsko in termično stabilen ter varen

za uporabo. V elektrolitu so nosilci električnega naboja − ioni. Večinoma so elektroliti vodne

raztopine, v litijevih baterijah pa je zaradi reaktivnosti litija potrebno uporabiti nevodne

raztopine oz. taline soli. Baterije morajo biti primerno zatesnjene, da elektrolit ne izteka oz. se

ne izsuši. Nekatere baterije vsebujejo tudi prezračevalne odprtine za odvajanje plinov [14].

Separator je porozna pregrada, membrana ali elektrolitski ključ, ki omogoča prehod ionov in

s tem uravnoteţi potencialno razliko med členoma. Uporabimo ga takrat, kadar imamo dva

različna elektrolita, da preprečimo njuno mešanje.

Elektrolitski ključ poskrbi za stik med raztopinama. V njem je KCl, NaCl ali kak drug

ustrezen elektrolit. Gibljivost kationov in anionov mora biti pribliţno enaka. V nasprotnem

primeru pride do ločitve naboja in s tem dodatne potencialne razlike [11].

Preprost elektrolitski ključ je lahko cevka, ki jo napolnimo z raztopino soli in ima na obeh

koncih membrano ali preprosto le vato. Biti mora dober ionski prevodnik.

Prevodnik je zunanji kovinski vodnik, navadno ţica iz kovine, s katerim sklenemo elektrodi.

Prehajanje elektronov po prevodniku iz anode na katodo izkoristimo za opravljanje dela.

Celoto, ki jo sestavljata dve elektrodi, potopljeni v raztopino elektrolita, sklenjeni z zunanjim

vodnikom, imenujemo elektrokemijski člen.


- 10 -

2.2.1 DELOVANJE GALVANSKEGA ČLENA

Galvanski člen dobimo, če reakciji oksidacije in redukcije prostorsko ločimo in usmerimo tok

elektronov prek zunanjega tokokroga.

Delovanje galvanskega člena najlaţje razloţimo na primeru Daniellovega člena.

Shema 2: Daniellov člen.

Vsak polčlen je sestavljen iz posode, v kateri je raztopina kovinskega iona, v njej pa je

ploščica iz iste kovine. Po dogovoru je na levi strani negativna anoda, na kateri poteka

oksidacija (v Daniellovem členu je to cinkov polčlen), na desni strani pa pozitivna katoda, na

kateri poteka redukcija (v Daniellovem členu je to bakrov polčlen).

V cinkovem polčlenu je anoda cinkova ploščica, potopljena v raztopino cinkovega sulfata(VI)

ZnSO4, ki vsebuje cinkove ione Zn2+

. V bakrovem polčlenu je katoda bakrova ploščica,

potopljena v raztopino bakrovega sulfata(VI) CuSO4, ki vsebuje bakrove ione Cu2+

.

Kovinski ploščici sta preko prevodnika povezani v tokokrog, kamor je vpet tudi porabnik

(npr. ţarnica, ali voltmeter, ki omogoča merjenje napetosti).

Raztopini obeh kovinskih ionov poveţemo preko elektrolitskega ključa. V primeru

Daniellovega člena lahko uporabimo raztopino kalijevega sulfata(VI) K2SO4, ker so tudi v

obeh polčlenih sulfatni(VI) ioni SO42− [20], oz. nasičeno raztopino kalijevega klorida KCl, ali

nasičeno raztopino natrijevega klorida NaCl.

V levem polčlenu se cinkova ploščica raztaplja, povečuje se količina cinkovih ionov v

raztopini. Atomi cinka se oksidirajo in oddajo anodi vsak po dva elektrona in preidejo v

raztopino v obliki ionov Zn2+

. Elektroni, ki se na anodi kopičijo, potujejo preko prevodnika na

katodo. S katode bakrovi ioni v raztopini sprejmejo vsak po dva elektrona, se reducirajo in se

na njej izločijo. V desnem polčlenu se masa bakrove elektrode povečuje, količina bakrovih

ionov v raztopini pa zmanjšuje.

Elektrolitski ključ pomaga uravnoteţiti naboj med obema polčlenoma, saj bi se lahko reakcija

ustavila zaradi preseţka kationov na cinkovem polčlenu oz. zaradi preseţka anionov na

bakrovem členu. Pozitivno nabiti ioni potujejo v smeri bakrovega polčlena in pomagajo


- 11 -

izenačiti negativni naboj, ki se pojavi zaradi redukcije bakra. Negativno nabiti ioni potujejo v

smeri cinkovega polčlena in pomagajo izenačiti pozitivni naboj, ki se pojavi zaradi oksidacije

cinka [32]. Na ta način ostajata obe raztopini v polčlenih električno nevtralni.

Reakcije, ki potekajo v Daniellovem galvanskem členu zapišemo kot:

anoda: Zn0 (s) → Zn

2+ (aq) + 2 e

katoda: Cu2+

(aq) + 2 e → Cu

0 (s)

Skupno reakcijo zapišemo kot vsoto obeh delnih reakcij v levem in desnem polčlenu:

Zn0 (s) + Cu

2+ (aq) → Zn

2+ (aq) + Cu

0 (s)

Shematski zapis Daniellovega galvanskega člena:

Zn0 (s) | Zn

2+ (aq) || Cu

2+ (aq) | Cu

0 (s)

Na levo stran v shematskem zapisu po dogovoru zapišemo polčlen, v katerem poteka

oksidacija, na desno stran pa polčlen, v katerem poteka redukcija. Ena pokončna črta označuje

fazno mejo med kovinsko elektrodo in raztopino ionov v posameznem polčlenu, dve

pokončni črti pa označujeta elektrolitski ključ. Na vsaki strani zapišemo element in njegov ion

v smeri poteka reakcije – najprej reaktante, nato produkte [20].

Daniellov člen je primer baterije, ki se je po izrabi ne da več napolniti (primarna baterija), saj

se anoda raztaplja in bi jo morali skupaj z elektrolitom zamenjati, če bi ţeleli baterijo

ponovno uporabiti.

Pri baterijah, ki jih lahko ponovno napolnimo (sekundarne baterije), lahko elektrodi

obnovimo s procesom obratne redoks reakcije – elektrolize. V nasprotni smeri praznjenja

pošljemo tok iz zunanjega izvora dokler se stanje elektrod in elektrolita ne vrne v začetno

stanje oz. stanje čim bolj podobno začetnemu [14].

Primer takšne baterije je avtomobilski svinčev akumulator.

Svinčev akumulator je sestavljen iz svinčeve anode in katode iz svinčevega dioksida, ki sta

potopljeni v raztopino ţveplove kisline.

Anoda: Pb (s) + H2SO4 (aq) ↔ PbSO4 (s) + 2 H+ + 2e

Katoda: PbO2 (s) + H2SO4 (aq) + 2 H+ + 2e

↔ PbSO4 (s) + 2 H2O (l)

Skupna reakcija: Pb (s) + PbO2 (s) + 2 H2SO4 (aq) 2 PbSO4 (s) + 2 H2O (l)

Shematski zapis: Pb(s) | PbSO4 (s) | H2SO4 (aq) | PbSO4 (s) | PbO2 (s)

polnjenje

praznjenje


- 12 -

2.3 KARAKTERISTIKE BATERIJ

2.3.1 ELEKTRIČNA NAPETOST

Električna napetost je mera za razliko električnih potencialov med obema elektrodama.

Odvisna je od vrste aktivnih snovi v celici. Da lahko primerjamo vrednosti za različne kovine,

morajo meritve potekati pri standardnih pogojih, ki so: temperatura 25 °C, tlak 101,3 kPa in

ionska aktivnost kationov 1 mol/l. Napetost standardne vodikove elektrode sluţi kot

referenčna vrednost in je po dogovoru enaka nič [24].

Da lahko predvidimo smer reakcije, ki poteka v galvanskem členu in izračunamo standardno

napetost člena, moramo poznati eksperimentalno določene standardne elektrodne potenciale.

Tabela 2: Napetostna vrsta kovin in standardni elektrodni potenciali pri 25 °C [14]

Standardno napetost člena izračunamo tako, da od standardnega elektrodnega potenciala

katode odštejemo standardni elektrodni potencial anode.

U0 (člena) = E

0 (katoda) – E

0 (anoda)

Standardna napetost Daniellovega člena:

U0 (člena) = E

0 (katoda) – E

0 (anoda) = 0,34 V – (– 0,76 V) = 1,10 V

Standardna napetost svinčevega akumulatorja:

U0 (člena) = E

0 (katoda) – E

0 (anoda) = 0,356 V – (– 1,685 V) = 2,041 V

Pri temperaturi 25 °C izmerimo napetost ene napolnjene celice 2,1 V. V akumulatorju je

zaporedno vezanih šest celic, tako da dobimo skupno napetost 12 V [14].

Standardni elektrodni potencial, E0, opredeljuje teţnjo elektronov po redukciji oz. oksidaciji –

kovine na začetku redoks vrste, ki imajo najbolj negativen elektrodni potencial, so močni

reducenti, kovine na koncu redoks vrste, z najbolj pozitivnim redoks potencialom, pa so


- 13 -

močni oksidanti. Reakcije med kovinami in kovinskimi ioni potekajo v smer nastanka

elementarne kovine, ki je v redoks vrsti bolj desno oz. ima bolj pozitiven standardni

elektrodni potencial [20].

Napetost baterije je odvisna od števila zaporedno vezanih celic in od napetosti posamezne

celice. Napetost posamezne celice je odvisna od uporabljenih elektrod, vrste elektrolita in

njegove koncentracije. Ker pa se koncentracija posameznih snovi med praznjenjem spreminja,

napetost baterije pa pada. Napetost baterije pada tudi s staranjem [10].

2.3.2 PROSTA ENTALPIJA

Kadarkoli se v galvanskem členu vzpostavi reakcija, prosta energija sistema pada [14].

Spremembo standardne proste entalpije ponazorimo z enačbo:

∆G0 = – z F E

0,

kjer je F = Faradayeva konstanta, 96.487 As/kmol ali C

z = število elektronov v reakciji

E0 = standardni potencial (V)

Reakcija poteka samodejno le, če je ∆G manjši od nič. Ker so z, F in E0 pozitivni, pišemo v

enačbi negativen predznak.

2.3.3 KAPACITETA BATERIJE

Kapaciteta baterije nam pove, koliko energije lahko baterija uskladišči. Odvisna je od količine

aktivnih snovi v elektrokemijski celici, pretečenega toka in časa. Izrazimo jo kot skupno

količino električne energije, vključene v elektrokemijsko reakcijo in zapišemo z enoto

amperskih ur Ah ali coulomb C. 1 Ah je enaka 3600 C [14].

S C označujemo tudi najvišji tok, s katerim polnimo ali praznimo baterijo in je enakovreden

kapaciteti celice. Teoretično s tokom 1 C celico napolnimo v eni uri.

Kadar baterijo praznimo s konstantnim tokom, lahko kapaciteto izrazimo kot produkt toka in

časa. Čas merimo do takrat, ko napetost začne hitro padati, to je do napetosti cut off.

Q = I ∙ t

Na kapaciteto vplivajo pravilna uporaba, vzdrţevanje, polnjenje in praznjenje ter način

shranjevanja baterije [19]. S staranjem se kapaciteta zmanjšuje in baterija shrani čedalje manj

energije.


- 14 -

2.3.4 GOSTOTA ENERGIJE

Če kapaciteto baterije C pomnoţimo z njeno teoretično napetostjo E0, dobimo količino v

enotah Wh. Ta predstavlja največjo moţno količino električne energije, ki bi jo v idealnem

primeru baterija lahko oddala. V realnosti se napetost pri praznjenju zmanjšuje in nikdar ne

pade povsem na 0 V, zato nikoli ne dobimo toliko električne energije, kot je podana za

posamezne baterije [14].

Tabela 3: Napetosti in volumetrične ter gravimetrične kapacitete nekaterih najbolj pogostih galvanskih členov [12]

prirejeno po [14].

Iz podatka o specifični energiji lahko razberemo, koliko energije je celica sposobna oddati na

enoto teţe. Baterija s specifično energijo 30 Wh/kg lahko teoretično odda 30 Wh, ob

predpostavki, da tehta 1 kg. Iz podatkov o gostoti energije lahko razberemo, koliko energije je

celica sposobna oddati na enoto prostornine. Merimo jo v Wh/l.

Graf 1: Primerjava specifične energije med sekundarnimi in primarnimi baterijami [3].


- 15 -

2.3.5 NOTRANJE IZGUBE IN "IR-PADEC"

Če baterijo merimo obremenjeno, takoj opazimo, da je napetost na njej padla in da je med

praznjenjem manjša od teoretične. To je t.i. "IR-padec" in je posledica ohmske polarizacije

oz. notranje upornosti elektrod, ionske upornosti elektrolita, upornosti spojev na katodah in

anodah ter upornosti ostalih aktivnih komponent [14].

Graf 2: Tipična krivulja praznjenja baterije prikazuje vpliv različnih tipov polarizacije [28].

2.3.6 ŢIVLJENJSKA DOBA BATERIJE

Baterija bo imela daljšo ţivljenjsko dobo, če jo bomo uporabljali pri čim bolj konstantni moči

ter brez menjave bremena. Če baterija pri določenem toku doseţe nek prag napetosti, to je

"cut-off" napetost, ki še omogoča delovanje porabniku, se lahko to baterijo uporabi na

bremenu, ki potrebuje manjši tok. Baterijo iz fotografske bliskavice lahko npr. še nekaj časa

uporabljamo v urnem mehanizmu, Li-ionske baterije iz avtomobilov pa lahko še vedno

uporabljamo kot hišne hranilnike energije [14].

Na ţivljenjsko dobo baterije močno vpliva tudi temperatura. Najboljši izkoristek baterij

doseţemo med 20 °C in 40 °C. Visoke temperature povečajo hitrost kemijskih procesov in s

tem samoizpraznitev baterij, pri niţjih temperaturah pa se poveča "IR-padec" zaradi ionske

upornosti elektrolita. Baterije je priporočljivo shranjevati pri niţjih temperaturah, vendar jih

moramo pred uporabo segreti na sobno temperaturo [14].

Ker baterije prenosnikov in mobilnih telefonov delujejo znotraj naprav in so ţe v svojem

okolju podvrţene višjim temperaturam, pazimo, da jih ne segrevamo še dodatno: z nošenjem

v ţepu hlač, uporaba na direktnem soncu, uporaba raznih pokrovčkov, ki onemogočajo

učinkovito ohlajevanje naprave. Za hitrejše ohlajanje je pomembna tudi oblika baterije, s čim

večjo površino glede na prostornino.

Način praznjenja in polnjenja tudi vplivata na ţivljenjsko dobo. Baterija zdrţi dlje, če napravo

nekaj časa uporabljamo in nato nekaj časa ne, kot če jo uporabljamo kontinuirano.

Napolnjenost baterije upoštevamo glede na tip baterije, ki jo uporabljamo – pri Li-ionskih

baterijah je priporočljivo, da napolnjenost ne pade pod 30 % ter da jo ob vsakem polnjenju ne


- 16 -

napolnimo na 100 %, pri NiCd in NiMH baterijah pa je zaradi spominskega efekta pametno

baterijo pred ponovnim polnjenjem izprazniti [14].

Pri klasičnem staranju baterije se kapaciteta zmanjšuje zaradi defektov na elektrodah in

stranskih reakcij, ki se dogajajo v bateriji in niso posledica spominskega efekta. V Li-ion

baterijah elektrode počasi nepovratno oksidirajo. Stanje še poslabšajo prenapolnjenje,

čezmerna izpraznitev, preobremenitev in temperaturni ekstremi [10].

2.3.7 SPOMINSKI EFEKT

NiCd baterije, ki so bile podvrţene cikličnemu praznjenju in polnjenju (npr. v satelitih, ki so

kroţili po stalnih tirnicah), so si "zapomnile" koliko energije so v prejšnjih ciklih prejele ali

oddale in kasneje niso oddale oz. sprejele več energije, četudi bi teoretično morale imeti višjo

kapaciteto.

V novejših NiCd baterijah sicer ni cikličnega spominskega efekta, so pa baterije podvrţene

tvorbi kristalov, ki ravno tako zniţujejo kapaciteto. Na anodi se namesto amorfnega

kadmijevega hidroksida začne tvoriti kristalinični, ki zmanjšuje aktivno površino elektrode.

Kristali lahko zrastejo celo tako veliki, da prebodejo separator in lahko povzročijo kratek stik.

Spominskemu efektu so podvrţene tudi NiMH baterije, vendar v manjši meri kot NiCd [3].

Slika 5: Kristalizacija kadmijevega hidroksida: a) nova baterija z amorfnim kadmijevim hidroksidom, b) nastanek

kristalov, c) obnovljena anoda.

Pogosto se spominski efekt napačno pripiše zniţani kapaciteti baterije zaradi neustreznega

polnjenja, prenapolnjenja ali izpostavljanja baterije visokim temperaturam.

Spominski efekt lahko preprečimo tako, da praznjenje v nobenem ciklu ni enako, baterijo

enkrat na mesec pred polnjenjem izpraznimo na manj kot 1 V na celico ter da bateriji enkrat

mesečno dovolimo prenapolnjenost [14].


- 17 -

2.4 OBLIKA IN VELIKOST BATERIJ

Pri načrtovanju oblike baterij je potrebno paziti na razmerje površine in prostornine, da se

toplota, ki se sprošča pri reakcijah, čim prej odvede in s tem ne povečuje samoizpraznitve.

Tudi oblika baterije vpliva na oddajanje toplote. Baterije, ki jih uporabljamo za majhne

obremenitve, imajo lahko majhno površino na prostornino. Baterije, ki jih uporabljamo pri

večjih obremenitvah, pa morajo imeti večjo površino na volumen. Baterija bo najbolj

učinkovita takrat, ko bo sestavljena iz čim manjšega dela neaktivnih delov [14].

Najpogostejše oblike baterij:

cilindrične,

gumbaste,

prizmatične in

ploščate.

Cilindrična oblika je najpogostejša oblika ohišja za uporabo primarnih in sekundarnih

baterij. So enostavne za izdelavo, vzdrţljive in mehansko stabilne, saj prenesejo visoke

notranje tlake brez deformacij. Čeprav sklopi cilindričnih celic slabo izkoriščajo prostor, pa

imajo v primerjavi s prizmatičnimi višjo energijsko gostoto, prazen prostor pa lahko

izkoristimo za izboljšanje ohlajanja.

Najpogosteje so to alkalne, NiCd, NiMH in Li-ionske (18560 model, ki se uporablja tudi v

Teslinih električnih avtomobilih) baterije, ki se uporabljajo v električnih orodjih, medicinskih

pripomočkih, daljincih, urah, igračah [3].

Gumbasta oblika, lahko tudi kovanec oblika, omogoča kompaktno obliko zmogljivih baterij

za majhne prenosne naprave, kot so slušni aparati, srčni spodbujevalniki, alarmne naprave,

avtomobilski daljinci, igrače. Večinoma so to primarne baterije [3].

Prizmatična oblika celic omogoča tanke baterije fleksibilnih oblik in velikosti. Prostor v

celici je dobro izkoriščen, prav tako pri sklopih več baterij. Najpogosteje jih najdemo v

mobilnih telefonih, tablicah, v večjih dimenzijah pa tudi v električnih pogonskih sklopih v

hibridnih in električnih vozilih. V primerjavi s cilindrično obliko omogočajo večjo izrabo

prostora, vendar manj učinkovito odvajanje toplote, imajo krajšo ţivljenjsko dobo in se lahko

napihnejo zaradi plinov, ki nastajajo ob polnjenju. Če se celica nabrekne, jo moramo

zamenjati, saj obstaja velika moţnost samovţiga ali eksplozije [3].

Ploščata oblika omogoča kompaktno obliko vzdrţljivih baterij z višjo napetostjo. Ploščate

baterije so navadno sestavljene iz treh ali šestih členov cilindrične ali ploščate oblike z

nazivno napetostjo 4,5 V ali 9 V.

Slika 6: Najpogostejše oblike baterij.


- 18 -

Najpogostejši geometrični velikostni razredi baterij [44]:

AAA (1,5 V)

AA (1,5 V)

C (1,5 V)

D (1,5 V)

ploščata 4,5 V

ploščata 9 V

Najpogostejše oznake tipa baterije:

R – cink-ogljikova

LR – alkalna

CR – primarna litijeva

SR – srebrova

Trg baterij in naprav, v katerih jih uporabljamo, je nepregledno velik, zato je velika tudi

izbira. Naštetih je le nekaj standardnih oblik in velikosti baterij. Predvsem pri sekundarnih

baterijah se oblike nenehno spreminjajo, saj se baterije prilagajajo aparatu oz. napravi.

Slika 7: Različne oblike in velikosti baterij: 4.5-volt, D, C, AA, AAA, AAAA, A23, 9-volt, CR2032 in LR44.


- 19 -

2.5 TIPI BATERIJ IN UPORABA

Baterije delimo na primarne, sekundarne, rezervne ter gorivne celice. Glavna razlika med

njimi je v tem, da primarne po uporabi zavrţemo, sekundarne lahko večkrat ponovno

napolnimo, rezervne aktiviramo po potrebi, gorivnim pa reaktante dovajamo sproti.

Baterije imajo omejeno mnoţino reaktantov, zato je njihova energijska zmoţnost pogojena z

velikostjo. Rezervne baterije imajo neko komponento (navadno elektrolit) izolirano od ostalih

in jo aktiviramo, preden baterijo uporabimo. Gorivne celice uporabljajo reaktante iz

rezervoarjev, ki jih po potrebi dopolnimo.

2.5.1 PRIMARNE BATERIJE

Primarne baterije so tiste, ki se jih ne da ponovno napolniti oz. se jih pri novejših modelih ne

da večkrat učinkovito ponovno napolniti in jih po izpraznitvi zavrţemo.

Primarne baterije uporabljamo v napravah z nizko porabo energije, kot so ţepne svetilke, ure,

daljinci, otroške igrače, medicinski pripomočki, saj so lahke, navadno cenovno dostopne,

enostavne za uporabo, ne potrebujejo vzdrţevanja, imajo visoko energijsko gostoto in se

počasneje izpraznijo.

Nekaterim primarnim baterijam lahko po izpraznitvi zamenjamo elektrolit in anodo in jih tako

lahko ponovno uporabimo (npr. baterije, kjer je anoda kovina, katoda pa zrak) [14].

Graf 3: Razvoj primarnih baterij [14].

Na trţišču je veliko različnih primarnih baterij, tako po sestavi, kot po obliki. Med njimi so

najpogostejše:

Cink-ogljikova baterija (ZnC), Leclanchéjev suhi člen

V členu je anoda valjasta posodica iz cinka, katoda pa ogljikova palčka, obdana s trdim

manganovim dioksidom. Manganovemu dioksidu dodajo še grafit, da povečajo njegovo

električno prevodnost. Ogljikova palčka sluţi za boljši stik in pri kemijskih reakcijah ne


- 20 -

sodeluje. Elektrolit je pasta, prepojena z nasičeno raztopino amonijevega klorida. Iz take suhe

izvedbe člena elektrolit ne izteče, tudi če posodica poči.

V izboljšani različici Leclanchéjevega člena kot elektrolit uporabljamo tudi cinkov klorid.

Različice s čistejšim sintetičnim manganovim dioksidom so zmogljivejše in draţje od različic

z mineralnim manganovim oksidom [21].

Običajne cink-ogljikove baterije so cilindrične oblike, odlikuje jih nizka cena. Ne glede na

velikost imajo napetost 1,5 V. Razlikujejo se v količini energije, ki jo lahko shranijo. Večje

baterije lahko shranijo več energije. Večjo napetost dobimo z zaporedno vezavo več členov.

Graf 4: Različne cink-ogljikove baterije pri kontinuiranemu praznjenju ob uporu 150 ohm in temperaturi 20°C [14].

Kemijska reakcija v celici z amonijevim kloridom kot elektrolitom:

Zn + 2 MnO2 + NH4Cl + H2O → 2 MnOOH + NH3 + Zn(OH)Cl

Kemijska reakcija v celici s cinkovim kloridom kot elektrolitom:

Zn + 2 MnO2 + 2 H2O + ZnCl2 → 2 MnOOH + 2 Zn(OH)Cl

Shema 3: Suhi Leclanchejév člen v prerezu [27].

Izpraznjenih cink-ogljikovih baterij ne smemo nikoli puščati v napravah, ki jih napajajo, saj

lahko izteče elektrolit, ki napravo poškoduje.


- 21 -

Alkalne baterije

Alkalni člen ima anodo iz cinkovega prahu za večjo aktivno površino. Katoda je iz

elektrolitsko pridobljenega in zato čistejšega manganovega dioksida z dodatkom grafita za

boljšo elektroprevodnost. Elektrolit je 35 % do 52 % vodna raztopina kalijevega hidroksida

KOH. V tako visokih koncentracijah omogoča dobro električno prevodnost in manjšo stopnjo

nastajanja vodika, kot suhi člen.

Anodi za boljše delovanje in zmanjševanje nastajanja plinastega vodika dodajajo tudi

nekatere teţke kovine, predvsem ţivo srebro, kar pa predstavlja velik okoljski problem, zato

ga v razvoju alkalnih baterij počasi opuščajo ali zmanjšujejo prisotnost [14].

Alkalne baterije so cilindrične in gumbaste oblike. Ne glede na velikost imajo napetost med

1,5 in 1,65 V, odvisno od čistosti manganovega dioksida in vsebnosti cinkovega dioksida na

anodi. Primerne so za vse vrste naprav, predvsem tiste, ki potrebujejo višje tokove.

Skupna kemijska reakcija: 2 MnO2 + Zn + 2 H2O → 2 MnOOH + Zn(OH)2

Shema 4: Alkalna baterija [14].

Graf 5: Primerjava suhega člena in alkalne baterije pri

normalni obremenitvi [14].

V primerjavi s suhim členom imajo višjo kapaciteto. Zaradi visoke koncentracije in zelo

dobre električne prevodnosti kalijevega hidroksida in s tem posledično manjše mase, lahko

elektrodi zavzemata več prostora.

Notranji upor je manjši, nekoliko je večje notranje samoizpraznjenje, ţivljenjska doba je

občutno daljša. Cenovno so nekoliko draţje [14].

Nekatere alkalne baterije lahko ponovno napolnimo, vendar zdrţijo le nekje med 20 in 100

cikli. Pomembna je izbira pravega polnilca.


- 22 -

Ţivosrebrove (HgO) baterije

Anoda je lahko iz cinka ali kadmija, katoda je ţivosrebrov oksid, elektrolit pa vodna raztopina

kalijevega ali natrijevega hidroksida. Vsebnost ţivega srebra je od 35 do 50 % na teţo

baterije, kar predstavlja veliko okoljsko tveganje, če baterija po izpraznitvi ni pravilno

odloţena in predelana. Njihovo proizvodnjo so zaradi toksičnosti ţivega srebra in kadmija

opustili.

Členi so večinoma gumbne oblike z napetostjo 1,35 V, z visoko specifično gostoto in zelo

dobrim razmerjem kapacitete na volumen enote, dobro se obnesejo pri višjih temperaturah,

slabše pri nizkih temperaturah. Imajo majhen notranji upor, konstantno napetost in majhno

lastno praznjenje (izguba na letnem nivoju pri 20 °C je med 10 in 20 %).

Kljub visoki ceni so se uporabljale v ţepnih kalkulatorjih, slušnih aparatih, srčnih

spodbujevalnikih, zapestnih urah [14].

Skupna kemijska reakcija: Zn + HgO → ZnO + Hg

Cd + HgO + H2O → Cd(OH)2 + Hg

Shema 5: Prečni prerez ţivosrebrove baterije [27].

Shema 6: Prečni prerez srebrove baterije [27].

Srebrove (Ag2O) baterije

Anoda je iz cinkovega prahu, katoda je iz stisnjenega srebrovega(I) oksida, ki mu je za boljšo

prevodnost dodan grafit. Elektrolit je vodna raztopina kalijevega ali natrijevega hidroksida.

Člen daje konstantno napetost 1,5 V, zato ga lahko uporabimo tudi kot referenčno napetost.

Specifična gostota energije je zelo visoka, zato so takšne baterije idealne za uporabo v obliki

majhnih gumbastih baterij.

Dobro se obnesejo pri niţjih temperaturah. Imajo majhen notranji upor, majhno lastno

praznjenje (izguba na letnem nivoju pri 20 °C je manj kot 5 %), iztekanje elektrolita je

zanemarljivo, vzdrţujejo konstantno napetost in so zaradi visokih cen srebra relativno drage.

Uporabljajo se v ţepnih kalkulatorjih, slušnih aparatih, glukometrih, zapestnih urah [14].

Skupna kemijska reakcija: Zn + Ag2O → 2 Ag + ZnO


- 23 -

Cink-zrak baterije

Anoda je iz granuliranega cinkovega prahu. Vlogo katode prevzame kisik, ki ga člen jemlje iz

zraka. Na aktivni površini katode poteka redukcija kisika v prisotnosti vodne raztopine

kalijevega hidroksida kot alkalnega elektrolita. Katoda se med delovanjem baterije ne izrablja

ali spreminja. Ker se kisik v baterijo dovaja iz zraka, katoda ne potrebuje veliko prostora –

tega zapolni anoda. Za dovod zraka so na pozitivni strani baterije zračne odprtine. Baterija

dobro deluje le v določenih področjih vlaţnosti.

Cink-zrak baterije so razvili predvsem zaradi nadomestitve ţivosrebrnih baterij, čeprav ga

vsebujejo pribliţno 2 %.

Člen z nominalno napetostjo 1,4 V najdemo večinoma v gumbasti obliki, čeprav ga izdelujejo

tudi v cilindrični in prizmatični obliki. Ima zelo visoko specifično gostoto, nekoliko večji

notranji upor, nizko maso, ob praznjenju vzdrţuje konstantno napetost, ima majhno lastno

praznjenje (izguba na letnem nivoju pri 20 °C je manj kot 3 %). Je cenejši od ţivosrebrovega

ali srebrovega člena.

Cink-zrak baterije so razvili za potrebe vojske, vendar so postale tudi komercialno zanimive.

Uporablja se v slušnih in številnih ostalih medicinskih aparatih [14].

Skupna kemijska reakcija: 2 Zn + O2 → 2 ZnO

Shema 7: Cink-zrak baterija [14].

Litijeve baterije

Člen so razvili v številnih izvedbah z litijem za anodo zaradi njegove majhne teţe, visokega

redoks potenciala in dobre prevodnosti. Katoda je lahko plin ali tekočina (ţveplov dioksid

SO2, tionil klorid SOCl2), kovinski oksid (manganov dioksid MnO2), sulfid (ţelezov disulfid

FeS2). V členih s trdnim elektrolitom je katoda svinec ali svinčeve spojine.

Litij burno reagira z vodo in zrakom, produkt reakcije pa je vodik. Elektrodi in elektrolit so

zato zaprli v jekleno posodico, za elektrolit pa se največkrat uporabljajo nevodne organske

raztopine litijevih soli. Za boljšo prevodnost skrbi grafitna palčka.

Člen doseţe napetost do 4 V, ima visoko specifično energijo in gostoto, majhen notranji upor,

majhno lastno praznjenje, vzdrţuje konstantno napetost ob praznjenju, neobčutljiv je za

temperaturne spremembe. Najpogostejša oblika baterij je gumbna, izdelujejo pa tudi

cilindrične ter prizmatične oblike v vseh velikostih.


- 24 -

Litijeve baterije so razvili v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, na začetku predvsem za

potrebe vojske. Ko so odpravili varnostne teţave, pa so prišle baterije v splošno uporabo.

Zaradi dolge ţivljenjske dobe in konstantne napetosti, jih največkrat najdemo v srčnih

spodbujevalnikih, defibrilatorjih, avtomobilskih ključih, kamerah, varnostnih napravah,

kalkulatorjih, urah.

S primarnimi litijevimi baterijami je potrebno ravnati previdno, saj lahko ob polnjenju,

pregrevanju, mehanski poškodbi ali izpostavitvi ognju eksplodirajo [14].

Skupne kemijske reakcije ob najpogostejših katodah:

2 Li + 2 SO2 → Li2S2O4

4 Li + 2 SOCl2 → 4 LiCl + S + SO2

Li + MnO2 → LiMnO2

4 Li + Fe2S → 2 Li2S + Fe

Shema 8: Li/MnO2 baterija v cilindrični in gumbasti obliki [27].


- 25 -

2.5.2 SEKUNDARNE BATERIJE

Sekundarne baterije, rečemo jim tudi akumulatorji, po uporabi ne zavrţemo, saj jih lahko

znova napolnimo z zunanjim virom električne energije in ponovno uporabimo. Uporaba je

smiselna v avtomobilih in motociklih za zaganjanje, električnih prevoznih sredstvih,

energijsko potratnih elektronskih napravah, pomembne pa so tudi za shranjevanje energije za

čas, ko le-ta ni dostopna. Njihova energijska gostota sicer ni tako visoka, kot pri primarnih,

vendar je uporaba cenejša in okolju prijaznejša [14].

Akumulator je vir napetosti in med uporabo deluje enako kot galvanski člen. Po sklenjenem

električnem krogu, v katerega je vključen porabnik, poganja tok. Ob tem se prazni, oddaja

električno delo, skupna notranja energija pa se mu zmanjšuje.

Ob polnjenju ga priključimo na zunanji vir napetosti (alternator ali posebej prilagojen

polnilnik za električno omreţje). Pozitivno elektrodo zveţemo z negativnim priključkom

polnilnika, negativno elektrodo pa s pozitivnim priključkom polnilnika. Zunanji polnilnik pri

polnjenju poganja v akumulatorju tok in s tem kemijske reakcije v nasprotni smeri.

Akumulatorju tako dovajamo električno delo, skupna notranja energija se veča. Napolnjen

akumulator lahko zopet uporabimo kot vir napetosti.

Polnjenje in praznjenje, kjer akumulator sprejema in oddaja nakopičeno energijo, imenujemo

cikel. Akumulator zmore več sto ciklov, preden postane neuporaben, odvisno od načina

uporabe in vzdrţevanja [22].

Različne sekundarne baterije imajo različne karakteristike in se uporabljajo v različne

namene, odvisno od potreb. Karakteristike nekaterih tipičnih sekundarnih baterij glede na

njihove volumetrične (Wh/l) in gravimetrične (Wh/kg)energijske gostote, so prikazane na

spodnjem grafu [26].

Graf 6: Primerjava različnih tipov sekundarnih baterij glede na razpon njihove volumetrične (Wh/l) in gravimetrične

(Wh/kg) energijske gostote [26].


- 26 -

Svinčev akumulator

Svinčev akumulator je sestavljen iz svinčeve anode in katode iz svinčevega dioksida, ki sta

potopljeni v 20 % raztopino ţveplove(VI) kisline.

Skupna kemijska reakcija: Pb + PbO2 + 2 H2SO4 2 PbSO4 + 2 H2O

Ko akumulator deluje, svinec oksidira, svinčev dioksid pa reducira. Na obeh elektrodah

nastaja svinčev(II) sulfat(VI) PbSO4. Pri praznjenju akumulatorja se porablja ţveplova kislina

in tvori voda. Stanje izpraznjenosti akumulatorja lahko določimo z merjenjem gostote kisline

v akumulatorju. Pri procesu polnjenja se na anodi odlaga svinec, na katodi svinčev dioksid,

ţveplova kislina pa se regenerira [11].

Shema 9: Prerez svinčevega akumulatorja [27].

Danes svinčevi akumulatorji za elektrodi uporabljajo na mreţo nanesen gobast svinec z

močno povečano aktivno površino. Zaradi mehanične trdnosti je mreţi, ki je v osnovi iz

svinca, dodan še antimon ali kalcij. Nekateri proizvajalci uporabljajo tudi druge zlitine (npr. z

dodatkom srebra). Takšne mreţe so trdnejše, bolj odporne proti koroziji, poraba vode med

polnjenjem se močno zmanjša, zmanjša se tudi samoizpraznitev.

Akumulatorska celica je sestavljena iz določenega števila pozitivnih in negativnih plošč,

oblitih z elektrolitom in ločenih s separatorjem. Debelina plošč vpliva na kapaciteto, število

plošč pa vpliva na zagonsko moč. Plošče so sestavljene iz mreţic, kar povečuje aktivno

površino. Namesto vodne raztopine večinoma vsebujejo gel z ţveplovo (VI) kislino [59].

Vsaka celica zmore 2,1 V električne napetosti. Glede na število zaporedno vezanih celic v

akumulatorju, poznamo različne nazivne napetosti: 2, 4, 6, 12 in 24 V. Avtomobilsko

akumulatorsko baterijo z gonilno napetostjo 12 V sestavlja šest celic.

polnjenje

praznjenje


- 27 -

Svinčevi akumulatorji zmorejo velik tok, ki ga zahtevajo zaganjači motorjev v vozilih, dobro

pa se obnesejo tudi pri majhnih tokovih. Zmogli naj bi od 500 do 800 ciklov. V avtomobilu,

v katerem alternator sproti polni akumulator, lahko ta nemoteno deluje več let.

Akumulator z lastnim praznjenjem mesečno izgubi 5 % nakopičene energije. K hitrejšemu

samoizpraznjenju pripomore višja temperatura (pri temperaturi 40 °C se akumulator izprazni

v dveh tednih), nečistoče na elektrodah ali v elektrolitu.

Prednost svinčevega akumulatorja je zanesljivost in nizka cena, slabost pa razmeroma velika

teţa. Iz odsluţenega svinčevega akumulatorja razmeroma preprosto pridobimo svinec, ki ga

lahko ponovno uporabimo [22].

Dolgotrajno skladiščenje in izpraznjenje lahko vodita do ireverzibilne polarizacije –

sulfatizacije. Svinčev sulfat kristalizira, se odlaga na elektrodah in tako zmanjšuje kapaciteto

akumulatorja. Zaradi povečane notranje upornosti traja polnjenje dlje časa, sprošča se višja

temperatura, povečuje se korozija akumulatorskih plošč.

Enak proces je tudi pri akumulatorjih, kjer elektrolit ne pokriva v celoti plošč, ki so v

akumulatorju. Posledica sulfatizacije je skrajšana ţivljenjska doba.

Do sulfatizacije avtomobilskih akumulatorjev prihaja, če se vozilo večinoma uporablja le za

kratke mestne voţnje, če se vozilo uporablja le občasno, ali pa če se akumulator pred daljšo

neaktivnostjo ne napolni. Sulfatizacija akumulatorjev je pogosta pri motornih kolesih, če se

med zimo ne poskrbi za ustrezno vzdrţevanje akumulatorja [59].

Svinčev akumulator najdemo v različnih izvedbah s kapaciteto od 1 Ah pa do 12.000 Ah v

avtomobilih, viličarjih, invalidskih vozičkih, hibridnih vozilih, telekomunikacijskih sistemih,

sistemih za brezprekinitveno napajanje (UPS), prenosni signalni opremi, zasilni razsvetljavi,

električnih dvigalih, navtiki, podmornicah, itd. [14].

Ni-Cd baterije

Nikelj-kadmijeve baterije, ki jih je leta 1899 odkril Waldemar Junger, so bile do pred

dvajsetimi leti glavna vrsta polnilnih baterij. Zaradi strupenosti kadmija so jih zamenjale

nikelj-metal hidridne baterije.

Za anodo se uporablja kadmij, katoda je nikljev(III) oksihidroksid NiOOH, elektrolit pa je

kalijev hidroksid KOH. Elektrolit ne sodeluje v reakciji, zato ostaja njegova gostota

konstantna.

Skupna kemijska reakcija: 2 NiOOH + Cd + 2 H2O ↔ 2 Ni(OH)2 + Cd(OH)2

V primerjavi s svinčevim akumulatorjem, ima večjo specifično energijo, med 40 in 60 Wh/kg.

Gonilna napetost celice je 1,25 V. Z lastnim praznjenjem mesečno izgubi okoli 20 %

nakopičene energije. Ob skrbni rabi in rednem vzdrţevanju lahko doseţe več kot 2000 ciklov

oz. jo lahko uporabljamo med 8 in 25 let. Tudi po daljšem skladiščenju je polnjenje hitro in

preprosto.

Čeprav je NiCd akumulator cenovno draţji od svinčevega, ga uporabljajo tam, kjer je

zaţelena manjša masa. Prevladujejo v zaganjalnikih za letalske motorje, prenosnem

električnem orodju, medicinskih napravah, radijskih postajah, zasilnih zavorah, itd.


- 28 -

NiCd akumulator ima močno izraţen spominski efekt, zato je ob uporabi potrebno skrbno

upoštevati cikle praznjenja in polnjenja. Pri polnjenju s premajhnim tokom se na kadmijevi

elektrodi s časom razvijejo vse večji kristali, zmanjša se efektivna površina, ki zmanjša

delovanje akumulatorja. Posledice spominskega efekta lahko odpravimo z večkratnim skoraj

popolnim izpraznjenjem akumulatorja in nato z napolnitvijo z ustreznim tokom [22].

NiMH baterije

Iz nikelj-kadmijevega se je razvil nikelj-metal hidridni akumulator. Kadmij na anodi je

nadomeščen z vodikom v obliki trdnega hidrida, katoda je NiOOH, elektrolit KOH.

Skupna kemijska reakcija: MH + NiOOH ↔ M + Ni(OH)2

Zlitine s kovinskim hidridom morajo imeti dobro zmoţnost shranjevanja vodika, primerne

termodinamske lastnosti za reverzibilne absorpcije/desorpcije, visoko elektrokemično

reaktivnost in biti morajo odporne na korozijo.

V razvoju zlitin so se osredotočili na lantan nikljevo zlitino LaNi5 (kot AB5 zlitine) in titanove

ter cirkonijeve zlitine (kot AB2 zlitine), vendar je bila zmoţnost shranjevanja vodika nizka,

oksidacije in korozija pa so povzročile kratko ţivljenjsko dobo, visok notranji tlak plina in

majhno moč. Te lastnosti so popravili z dodatkom elementov redkih zemelj: La, Ce, Nd, Pr,

Y, Ni, Co, Al, Ti, Zr, Si, V, Cr, Mn.

Gonilna napetost celice je 1,25 V, specifična energija je višja kot pri NiCd, 60 do 80 Wh/kg.

Z lastnim praznjenjem mesečno izgubi okoli 30 % energije, ţivljenjska doba je 2 do 5 let oz.

300 do 600 ciklov. Tudi pri NiMH baterijah se kaţe spominski efekt, le da v manjši meri.

Popolnoma izprazniti in napolniti jih je potrebno le na vsake tri mesece. Pri polnjenju

moramo uporabljati poseben t. i. pametni polnilec, saj so NiMH baterije občutljive na

prenapolnjenost. Baterijo lahko polnimo le do določene temperature [14].

Pred prvo uporabo se priporoča 16 do 24 urno počasno polnjenje, da se enakomerno napolnijo

vse baterijske celice v sklopu in da se elektrolit enakomerno razporedi po vsej strukturi

baterijske celice. Baterije navadno doseţejo optimalno zmogljivost po nekaj ciklih polnjenja

in praznjenja [33].

Slika 8: Panasonicova NiMH eneloop baterija.


- 29 -

Baterije imajo širok obseg delovne temperature, od -30 °C do 70 °C in se hitro napolnijo.

Skladiščiti jih je priporočljivo v hladnem in suhem prostoru pri pribliţno 40 % napolnjenosti.

NiMH baterije so pogosta izbira napajanja v hibridnih vozilih, medicinskih napravah in

industrijskih aplikacijah. V redni prodaji jih lahko dobimo v vseh tipih (cilindrične, gumbne,

prizmatične) in standardnih velikostnih razredih (AAA, AA, C, D, 9 V …) ter različnih

zmogljivosti. So varne za uporabo, cenovno ugodne in okolju prijaznejše, saj jih lahko

recikliramo [14].

Ni-Zn baterije

Nikelj-cink baterije so zanimive, ker so materiali poceni in ne preveč strupeni. Katoda je

NiOOH, anoda cink, elektrolit je KOH. Napetost znaša 1,65 V.

Skupna kemijska reakcija: 2 NiOOH + 2 H2O + Zn ↔ 2 Ni(OH)2 + Zn(OH)2

Specifična energija je pribliţno dvakrat večja od Ni-Cd baterij (50-60 Wh/kg), vendar je bila

ţivljenjska doba baterije precej omejena zaradi spreminjanja oblike cinkove elektrode in

tvorjenja dendritskih izrastkov, ki povzročajo kratke stike. Z razvojem baterij so podaljšali

ţivljenjsko dobo niklja in cinka z uporabo aditivov in zniţanjem koncentracije KOH na okoli

500 ciklov. Največ so v uporabi v električnih kolesih in skuterjih [14].

Ni-Fe baterije

Nikelj-ţelezove baterije so bile zelo pomembne od uvedbe leta 1908, do leta 1970, ko so

izgubile svoj trţni deleţ proti svinčevem akumulatorju. Zaradi svoje robustne konstrukcije,

trpeţnosti in dolge ţivljenjske dobe so jih največ uporabljali v tovornjakih, rudarstvu,

podzemnih vozilih, na ţeleznici.

Skupna kemijska reakcija: 3 Fe + 8 NiOOH + 4 H2O ↔ 8 Ni(OH)2 + Fe3O4

Nizka specifična energija (30 Wh/kg), visoko samoizpraznjenje (20−40 % mesečno), slaba

učinkovitost pri nizkih temperaturah in visoki stroški proizvodnje v primerjavi s svinčevim

akumulatorjem, so privedli do manjše uporabe.

Anoda je iz ţeleza, katoda je NiOOH. Elektrolit je KOH, za večjo kapaciteto celice pa mu

dodajo litijev hidroksid LiOH. Napetost celice je 1,2 V. Ob primernem vzdrţevanju jih lahko

uporabljamo 8 do 25 let oz. 2000 do 4000 ciklov. Baterije niso občutljive na večkratno

popolno izpraznjenje. Skladiščimo jih izpraznjene.

Priporočljivo je, da se baterija uporablja v dobro zračenem prostoru, da se prepreči morebitno

nabiranje vodika in s tem morebitno eksplozijo ali poţar [14].


- 30 -

Li-ionske baterije

Uporaba litija v baterijah se je začela dokaj pozno, saj niso znali razviti ustreznega elektrolita

in ustrezne oblike posode, da bi nadzirali njegovo aktivnost.

Prve litijeve baterije z anodo iz čistega litija so se pojavile v začetku sedemdesetih let

prejšnjega stoletja. Pri poskusu ponovnega polnjenja je pogosto prihajalo do eksplozij zaradi

nastanka litijevih dendritov oz. neenakomernih izrastkov. Litij so najprej zamenjali z

litijevimi zlitinami, kasneje pa z anorganskimi litijevimi spojinami. Te imajo še boljše

elektrokemijske lastnosti od samega litija in jih danes uporabljajo kot elektrode v Li-ionskih

baterijah [17].

Shema 10: a) Nastanek dendritov v litij-kovinski bateriji. b) Plastovita struktura anode v litij-ionski bateriji

preprečuje nastanek dendritov z vgradnjo litijevih ionov med plasti [26].

Zaradi varnostnih pomanjkljivosti in stroškov proizvodnje, so prvi akumulatorji prišli na trg

šele dvajset let po odkritju. Podjetje Sony je leta 1991 predstavilo prvi komercialni Li-ionski

akumulator z grafitno anodo ter katodo iz litijevega kobaltata LiCoO2, z napetostjo 3,6 V, kar

je trikrat več od običajne alkalne baterije, in z energijsko gostoto120 do 150 Wh/kg, kar je

dva do trikrat več, kot so jo imeli tedaj popularni NiCd akumulatorji. Ta tip akumulatorja je

danes v večini prenosnih elektronskih naprav, posebno pozornost pa posvečajo

akumulatorjem, primernim za vgradnjo v električna vozila [17].

Litij, za katerega je znan najvišji standardni redoks potencial 3,04 V in najmanjša gostota

(0,53 g/cm3), omogoča izdelavo baterij z visoko energijsko gostoto. Litijev kation sodeluje v

kemijskih reakcijah na obeh elektrodah, na katerih se litij reverzibilno vgrajuje in izgrajuje.

Večino današnjih Li-ionskih baterij sestavljajo grafitne anode, vse pogosteje tudi grafenske ali

celo litij titanatne Li4Ti5O12. Katode sestavljajo oksidni materiali prehodnih kovin LixMO2,

npr. LiCoO2, LiNiO2 ali LiMn2O4, ali litij ţelezo fosfat LiFePO4. Elektrolit je brezvodna

raztopina litijevih soli v organskem topilu.

Tokovni kolektor ali prevodna kovina na anodni strani je navadno bakrena folija, prevlečena z

grafitom. Zbiralnik elektronov na katodni strani pa je aluminijeva folija [26].


- 31 -

Shema 11: Shematski prikaz Li-ionske baterije [10] prirejeno po [8].

Na negativni strani grafit zadrţuje litijeve ione med plastmi, medtem ko so na pozitivni strani

litijevi ioni vgrajeni v oksidne spojine. Pri praznjenju se v grafitni strukturi zadrţani litijevi

ioni od tam umaknejo in se vgradijo v oksidno strukturo, pri polnjenju pa se litijevi ioni,

vgrajeni v oksidni strukturi, od tam umaknejo in se vgradijo nazaj v grafitno strukturo.

Elektrodi loči brezvodni elektrolit, ki omogoča transport litijevih ionov med elektrodami [26].

Shema 12: Struktura katodnih materialov: (a) plastovita struktura LiMnxNiyCozO2; (b) špinelna struktura LiMn2O4;

(c) olivinska struktura LiFePO4 [30].

Na katodni strani je razvitih kar nekaj alternativ klasičnemu LiCoO2. Plastovite strukture s

heksagonalno simetrijo in špinelne strukture LiMn2O4, ponujajo tridimenzionalno strukturo,

kamor se lahko vrinejo Li ioni. Olivinska struktura LiFePO4 katodnega materiala ima tunelno

strukturo, ki izboljša prevodnost elektronov z nano strukturiranimi ogljikovimi prevlekami.

Katodo lahko poleg ene vrste materiala sestavljajo različna razmerja osnovnih materialov, kar

omogoča še dodatno povečanje napetosti na celici ali povečanje energijske gostote: litij

kobaltat – LCO, litij nikelj oksid – LNO, litij mangan oksid – LMO, litij nikelj kobalt mangan

oksid – NMC [30].


- 32 -

Za anodo so na začetku uporabljali titanov disulfat TiS2, ki je sicer imel plastovito strukturo,

vendar v kombinaciji z novimi elektrodnimi materiali ni omogočal dovolj hitre vgradnje in

izločitve litijevih ionov. Zamenjala ga je grafitna in nato grafenska anoda.

Z iskanjem cenejših in varnejših anodnih materialov, še posebno nano strukturiranih, so

razvili z ogljikom prevlečene silicijeve Li4Ti5O12 ali TiO2 anode.

Varnost, ki je pri velikih Li-ionskih baterijskih sistemih izrednega pomena, predvsem zaradi

velike količine uporabljenih elektrolitov, saj pri visokih napetostih obstaja moţnost nastajanja

plinov in razgradnja elektrolitov, je izboljšana z uporabo anod, ki ne nabrekajo. Dodatno

izboljšanje je moţno tudi z uporabo gel elektrolitov, ki močno zmanjšajo parne tlake topil

uporabljenih v elektrolitih [4].

Raztopina elektrolitov igra ključno vlogo pri transportu pozitivnih litijevih ionov med katodo

in anodo. Visoko čisti elektroliti so ključna sestavina Li-ionskih baterij. Najpogosteje

uporabljen elektrolit sestavljajo litijeve soli, kot LiPF6, LiBF4 v organski raztopini (etri, estri,

karbonati, ionske tekočine). Poleg litijeve soli, je potrebno v končen elektrolit vključiti še

vrsto dodatkov, da dobimo zahtevane lastnosti od elektrolitske raztopine. Ti dodatki

elektrolitov Li-ionskim baterijam izboljšajo stabilnost, preprečujejo nastanek dendritov in

upočasnijo razpad elektrolita.

Idealen elektrolit mora omogočiti, da v ne-vodnem mediju v celoti raztopi litijeve soli in

oddalji solvatirane litijeve katione od anionov ter zagotovi visoko mobilnost.

Anion mora biti stabilen proti oksidacijski razgradnji na katodi ter inerten na topilo

elektrolita. Tako anion kot kation morata biti inertna proti drugim komponentam celice, kot so

separator, podlage elektrod, ohišje celic [29].

Zamenjava tekočega elektrolita s suhim je omogočila enostavnejše oblikovanje v tanke filme

in posledično izdelovanje baterij manjših dimenzij.

Trden polimerni elektrolit je sicer elektrokemijsko bolj stabilen od tekočega, vendar za

delovanje zahteva višje temperature, okoli 80 °C, kar je omejeno le na večje baterijske

sisteme in je neprimeren za manjše elektronske naprave. V mikroporozni polimerni matrici je

impregnirano topilo in litijeva sol.

Baterije s polimernim elektrolitom so tanke in ne zahtevajo posebnih separatorjev med

elektrodama, saj to vlogo opravi kar polimer [26].

Shema 13: Seznam elektrodnih materialov in vrst elektrolitov za polnilne Li-ionske baterije [4].


- 33 -

Litij-ionske baterije ne poznajo opaznega spominskega efekta, kot je ta izraţen predvsem pri

NiCd baterijah. Zanje je priporočljivo, da napolnjenost ne pade pod 30 % ter da jo ob vsakem

polnjenju ne napolnimo na 100 %. Delno polnjenje litij-ionskih baterij na njihovo ţivljenjsko

dobo nima nobenega vpliva. Ţivljenjske dobe ne skrajšujejo vzorci polnjenja in praznjenja,

kot pri Ni-Cd baterijah, temveč število vseh napajalnih ciklov. Pri litij-ionskih baterijah en

cikel ne predstavlja nujno le eno popolno izpraznitev baterije, temveč se kot en cikel štejeta

tudi dve izpraznitvi do 50 % oz. več krajših delnih izpraznitev.

Večkratni ponavljajoči popolni izpraznitvi litij-ionskih baterij se je dobro izogibati, saj lahko

baterija čez čas postane nestabilna in nezanesljiva. Za samo baterijo je precej večji šok, če se

baterija preveč izprazni, saj je v izpraznjenem stanju in pri ponovnem polnjenju pod precej

večjo obremenitvijo, lahko se tvorijo plini in baterija nabrekne. Celico lahko uničimo ţe, če jo

izpraznimo pod 3 V. Izjemoma se priporoča občasno praznjenje baterije do konca zaradi same

kalibracije baterije (problem elektronike in ne same baterije), vendar pa je to potrebno storiti

zelo redko, manj kot enkrat mesečno.

Skladiščimo jih 40 % polnjene v hladnem in suhem prostoru. Z lastnim praznjenjem mesečno

izgubijo okoli 5 % energije, ţivljenjska doba je nad pet let oz. nad 1000 ciklov.

Li-Ion baterije so temperaturno zelo občutljive. Najprimernejše mesto za shranjevanje baterije

bi bilo v hladilniku, saj ţe temperature okoli 25 °C povzročijo letno izgubo do 20 %

kapacitete (pri 0 °C 6%, pri 40 °C 35 %). Kapaciteta pa se zmanjšuje tudi zaradi staranja.

Temperaturni obseg delovanja je med -40°C in 65 °C. Napetost celice je od 2,5 do 4,2 V,

odvisno od katodnih materialov [14].

Li-Ion baterije najdemo v vseh moţnih oblikah (prizmatične, cilindrične, gumbaste) in

velikostih. So zelo uporabne in prilagodljive.

Shema 14: Oblika in sestavni deli različnih litij-ionskih baterij [26].

Druţina Li-ionskih baterij pokriva celo vrsto različnih produktov z različnimi ţivljenjskimi

cikli, energijsko gostoto in ostalimi kvalitetami. Poznamo jih pod različnimi komercialnimi

imeni, kot so litij-ionske Li-ion, litij-polimerne LiPo, PLiION.


- 34 -

Primeri litij-ionskih baterij [3]:

LCO = litij kobaltat LiCoO2 z visoko specifično energijo in nominalno napetostjo 3,6 V

najpogosteje najdemo v mobilnih telefonih, tablicah, prenosnih računalnikih in

fotoaparatih. Katoda je LiCoO2 v plastoviti strukturi, anoda je grafit. Ţivljenjska doba je

500 do 1000 ciklov.

LMO = litij mangan oksid LiMn2O4 z visoko močjo, vendar nizko kapaciteto in

nominalno napetostjo 3,7 V najpogosteje najdemo v električnem orodju, medicinskih

inštrumentih, hibridnih ter električnih vozilih. Katoda je tridimenzionalna špinelna

struktura LiMn2O4, anoda pa grafit. Špinelna struktura izboljša pretok ionov na elektrodi

in s tem zmanjša notranjo upornost, omogoča visoko temperaturno stabilnost in s tem

poveča varnost. Ţivljenjska doba je 300 do 700 ciklov.

NMC = litij nikelj mangan kobalt oksid LiNiMnCoO2 z visoko kapaciteto in močjo ter

nominalno napetostjo 3,6 V najdemo v električnih kolesih in avtomobilih, električnem

orodju in medicinskih napravah. Katoda je LiNiMnCoO2. Anoda je grafitna. Ţivljenjska

doba je dolga, 1000 do 2000 ciklov. Kombinacija LMO in NMC baterij se uporablja v

električnih avtomobilih, kot so Nissan Leaf, BMW i3 in Chevy Volt, da bi povečali

specifično energijo in podaljšali ţivljenjsko dobo. LMO del zagotavlja visoke tokove pri

pospeševanju, NMC del pa podaljša čas voţnje.

LFP = litij ţelezo fosfat LiFePO4 z nizko kapaciteto, zmerno specifično energijo in

nominalno napetostjo 3,2 V najdemo v prenosnih ali stacionarnih napravah, ki

potrebujejo za svoje delovanje visoke tokove in vzdrţljivost. Ob praznjenju vzdrţujejo

konstantno napetost, so neobčutljive za temperaturne spremembe, vendar se relativno

hitro samoizpraznejo. Katoda je LiFePO4 v olivinski strukturi, anoda je grafitna.

Ţivljenjska doba je 1000 do 2000 ciklov. Med litij-ionskimi baterijami so najbolj varne.

NCA = litij nikelj kobalt aluminij oksid LiNiCoAlO2 z visoko specifično energijo in

nominalno napetostjo 3,6 V najdemo v medicinskih napravah in električnih pogonskih

sklopih. Ţivljenjska doba je okoli 500 ciklov.

LTO = litij titanat Li4Ti5O12 z nizko specifično energijo in nominalno napetostjo 2,4 V

najdemo v UPS sistemih in nekaterih električnih vozilih. Katoda je grafitna, anoda pa je

špinelna struktura Li2TiO3, ravno obratno, kot ostale Li-ionske baterije. Ponašajo se z

zelo dolgo ţivljenjsko dobo, 3000 do 7000 ciklov in visoko varnostjo.

Litij-polimerne baterije delujejo na enakem principu kot litij-ionske, le da je elektrolit trden

ali v gel obliki.

Graf 7: Primerjava specifične energije med svinčevim akumulatorjem, NiCd in NiMH ter Li-ionskimi baterijami.


- 35 -

2.5.3 GORIVNE CELICE

Gorivne celice so galvanski členi, ki pretvarjajo kemijsko energijo reaktantov neposredno v

električno energijo. Celica je odprtega tipa, t. j. reaktanti niso del celice. Te sproti dovajamo

iz rezervoarjev, produkte pa odvajamo iz sistema. Gorivne celice proizvajajo električno

energijo toliko časa, dokler ne zmanjka reaktantov, ki pa jih lahko enostavno zopet

dovedemo.

Oksidant je vedno kisik, čisti ali iz zraka. Gorivo je lahko vodik, hidrazin, metanol in laţji

ogljikovodiki (iz teh moramo najprej s posebnimi postopki pridobiti vodik, ki ga nato

dovajamo v gorivno celico).

Elektrode morajo biti inertne (npr. platina), delovati morajo kot katalizatorji, ne smejo se

izrabljati, biti morajo dobro elektroprevodne, gorivo (plin) morajo privesti v stik z

elektrolitom.

Elektrolit je lahko KOH, H2SO4, H3PO4, polimer, staljeni karbonati in druge soli. Od

elektrolita je odvisna tudi delovna temperatura celic, ki se giblje med 80 in 900 °C [14].

Reakcija na anodi: 2 H2 → 4 H+ + 4e

–

Reakcija na katodi: O2 + 4 H+ + 4 e

– → 2 H2O

Skupna reakcija: 2 H2 + O2 → 2 H2O

Tabela 4: Napetost in moţne kemijske reakcije v gorivnih celicah ob različnih gorivih [14].

vodik – kisik 1,23 V 2 H2 + O2 → 2 H2O

hidrazin – kisik 1,56 V N2H4 + O2 → 2 H2O + N2

ogljik – kisik 1,02 V C + O2 → CO2

metan – kisik 1,05 V CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

metanol – kisik 1,19 V 2 CH3OH + 3 O2 → 2 CO2 + 4 H2O


- 36 -

2.6 PRIPOROČILA ZA VARNO UPORABO BATERIJ

Čeprav se baterije zdijo varen pripomoček, pa to niso, če jih ne uporabljamo pravilno.

Če z baterijami ne ravnamo pravilno, ali jih neustrezno zamenjamo, obstaja nevarnost

iztekanja nevarnih snovi, poţara ali eksplozije. Baterije zamenjujemo le z baterijami iste vrste

oz. po priporočilu proizvajalca. Ne smemo jih razstaviti, polniti izven sistema, mehansko

poškodovati, izpostavljati ognju ali vodi oz. drugim tekočinam, povzročiti kratkega stika.

Iztrošene je potrebno odloţiti med nevarne odpadke oz. v zbirne posode.

Iztekanje

Baterije lahko puščajo toksične materiale: svinec, ţivo srebro, kadmij, kisli ali alkalni

elektrolit. Elektrolit, ki bi iztekal iz dotrajanega člena, bi lahko poškodoval elektronsko

napravo, zato je priporočljivo odstraniti baterije iz naprave, ki je dalj časa ne boste

uporabljali. Baterije v elektronskih napravah je potrebno redno preverjati. Pri rokovanju s

poškodovano ali izteklo baterijo je priporočljiva uporaba zaščitnih rokavic, saj lahko iztekla

snov povzroči poškodbe tkiva.

Ne mešajte starih baterij z novimi, saj se lahko poškodujejo in pride do iztekanja. Ne polnite

baterij, na katerih ni označeno, da se lahko ponovno polnijo. Ne odpirajte obloge baterij.

Slika 9: Iztekanje baterije.

Slika 10: Nabrekla litij-ionska baterija.

Eksplozija in poţar

V avtomobilskih baterijah lahko kratek stik povzroči velike tokove in izpust vodika, ki lahko

povzroči tudi eksplozijo (posebej, ko zaganjamo drug avto, ki je imel prazen akumulator).

Baterij ne izpostavljajte ognju ali direktnemu soncu, jih ne luknjajte ali kako drugače

mehansko poškodujte. Ne izpostavljamo jih temperaturam, višjim od 60 °C.

Eksplozijo lahko povzroči tudi nepravilno vstavljena baterija ali polnjenje primarnih baterij.

Znanih je mnogo primerov, ko so se prenapolnjene ali poškodovane baterije vţgale ali

eksplodirale. Če vzamemo za primer baterijo prenosnika, lahko le-ta eksplodira večkrat, saj je

sestavljena iz več celic.

Zauţitje

Nekatere baterije so lahko ob zauţitju smrtno nevarne. Toksične pa so tudi spojine, ki jih

vsebujejo. Baterije je potrebno hraniti izven dosega otrok.

Ob zauţitju je potreben takojšen obisk zdravnika.


- 37 -

Kratek stik

Nastane zaradi neposredne povezave med pozitivnim in negativnim polom baterije, brez

priključenega električnega porabnika, zaradi nestabilnosti elektrodnih materialov, mehanskih

poškodb, povezave obeh polov baterije (npr. če baterijo zavijemo v alu-folijo ali odloţimo v

posodo z ţeblji).

Kadar v bateriji pride do kratkega stika, lahko visok električni tok, ki steče skozi baterijo,

povzroči lokalno pregretost, razlitje nevarnih kemičnih snovi, vţig ali celo eksplozijo in tako

baterijo uniči.

2.7 NASVETI ZA ROKOVANJE Z BATERIJAMI

Da podaljšamo ţivljenjsko dobo baterije, je dobro upoštevati naslednje nasvete [10]; [3]; [48]:

Izklopite napravo na baterije, kadar le-te ne uporabljate.

Uporabljajte kakovostne in vrsti baterije primerne polnilce. Najboljše je uporabljati

originalen polnilec, ki ga dobimo skupaj z elektronsko napravo. Dobro se je izogibati

poceni ponaredkom.

Izogibanje prenapolnjenju baterije, ki bi lahko vodilo v pregrevanje.

Odstranite baterije iz prenosnikov, ki so ves čas na omreţni napetosti. Čeprav polnilci

prek krmilne elektronike baterijo pravočasno odklopijo, ji škodujejo visoke temperature v

napravi. Če imamo prenosnik ves čas priklopljen na napajanje, ga je priporočljivo vsaj

nekaj časa pred koncem dela izklopiti iz napajanja, da se baterija vsaj delno izprazni.

Izogibanje večkratni ponavljajoči popolni izpraznitvi litij-ionskih baterij, saj lahko

baterija čez čas postane nestabilna in nezanesljiva. Za samo baterijo je precej večji šok,

če se baterija popolnoma izprazni, saj je v izpraznjenem stanju in pri ponovnem polnjenju

pod precej večjo obremenitvijo, lahko se tvorijo plini in baterija nabrekne. Izjemoma se

priporoča občasno praznjenje baterije do konca zaradi same kalibracije baterije, vendar

pa je to potrebno storiti zelo redko, manj kot enkrat mesečno.

Baterije shranjujemo 40−60 odstotno polnjene v hladnem in suhem prostoru. Dobro je

poznati odstotek samoizpraznjenja za vsak tip baterije: Li-ionske 5−10 % mesečno, NiCd

20% mesečno, NiMH 30 % mesečno. Če se baterija dalj časa ne uporablja in se izprazni

pod določeno mejo, se lahko uniči, zato je priporočljivo občasno polnjenje.

Izogibanje temperaturam nad 30 °C – izpostavljanju naprave direktnemu soncu, puščanju

telefona v razgretem avtomobilu ali na okenski polici, nošenje telefona v ţepu hlač,

zapiranju izhoda ventilatorja prenosnika. Baterijam dolgoročno visoke temperature zelo

škodujejo.

Oţivljanje prazne baterije na radiatorju je škodljivo.

Izogibanje prekinitvi polnilnih ciklov NiCd in NiMH baterij zaradi spominskega efekta.

Enkrat na mesec pustite napravo z NiCd ali NiMH baterijo, da se popolnoma izprazni, in

jo znova napolnite. S tem zmanjšate moţnost za nastanek kristaliničnih struktur na

elektrodah oziroma raztopite ţe nastale.

Ne mešajte starih baterij z novimi, saj lahko pride do iztekanja, ki lahko povzroči

poškodbe ljudi ali naprav.


- 38 -

2.8 EKOLOGIJA

Zaradi teţkih kovin v bateriji, kot so ţivo srebro, svinec, kadmij, baker, cink, mangan, nikelj,

so po celem svetu razvili programe ozaveščanja ljudi, zbiranja in predelave baterij ter poostrili

nadzor nad njihovo proizvodnjo in odlaganjem.

Smiselno je ločevati velike akumulatorske baterije in manjše gospodinjske baterije, saj jih

povsem drugače obravnavajo v nadaljnjih postopkih zbiranja, ločevanja, recikliranja in

predelave [5].

Slika 11: Znak za ločeno zbiranje za vse odpadne

baterije in akumulatorje je prečrtan izvlečni

zabojnik za odpadke.

Slika 12: Zbiralniki za iztrošene baterije dveh različnih podjetij.

Baterije ne sodijo v zabojnike za mešane komunalne odpadke, temveč med nevarne odpadke.

Ob nepravilnem odlaganju lahko povzročijo negativne vplive na okolje in zdravje ljudi. Doma

jih hranimo ločeno od drugih odpadkov. Odlaganje v naravi ali seţiganje je strogo

prepovedano.

Izpraznjene lahko brezplačno oddamo pri prodajalcih baterij v posebne zabojnike, jih

odnesemo izvajalcu javne sluţbe v zbirni center, ali pa oddamo neposredno zbiralcu odpadnih

baterij (npr. Zeos [60], Interseroh [39]).

Odgovornost za skrbno ravnanje z odpadnimi baterijami in akumulatorji na vse udeleţence v

procesu ravnanja z odpadnimi baterijami in akumulatorji prenaša skupna evropska

zakonodaja, v slovenskem prostoru pa še posebej Uredba o ravnanju z baterijami in

akumulatorji ter odpadnimi baterijami in akumulatorji [58]. V skladu z zakonodajnimi

podlagami, morajo proizvajalci, pridobitelji, uvozniki ter distributerji baterij in akumulatorjev

zagotoviti brezplačno zbiranje odpadnih baterij in akumulatorjev, porabniki pa ločeno zbirati

in odlagati na zbirna mesta.

Nepravilno odloţene baterije predstavljajo potencialno nevarnost in lahko:

onesnaţijo vodo (podtalnica, reke, jezera) in zemljo s teţkimi kovinami.

povzročijo opekline, razjede ali poškodbe oči, koţe in sluznic zaradi kislin ali baz, ki

se uporabljajo kot elektroliti.

neizpraznjene zaradi kratkega stika povzročijo poţar ali eksplozijo.


- 39 -

Nepravilno odloţene odpadne baterije iz gospodinjstva prispevajo 88 % ţivega srebra in 50 %

kadmija v skupnih komunalnih odpadkih. Pri seţiganju baterij obstaja nevarnost, da teţke

kovine, kot je ţivo srebro, izhlapijo v zrak, kadmij in svinec pa lahko končata v pepelu.

Za izdelavo ene baterije potrebujemo 50-krat več energije, kot jo sama baterija proizvede. Z

recikliranjem baterij tako prihranimo veliko energije in ohranjamo naravne vire, saj lahko

kovine in plastiko uporabimo pri izdelavi novih [39].

Svinčev akumulator je na odlagališču nevaren odpadek zaradi ţveplove(VI) kisline, svinca ter

njegovih spojin. Izrabljene akumulatorje vrnemo prodajalcu oz. jih odloţimo v zbirnih centrih

med nevarne odpadke. V tovarnah akumulatorjev iz starih akumulatorjev iztočijo kislino in

akumulator nevtralizirajo. Svinec ponovno uporabijo za proizvodnjo novih akumulatorjev,

ostanke plastike pa predelajo v različne izdelke. V Sloveniji svinčeve akumulatorje reciklira

MPI-Reciklaţa metalurgija, plastika in inţeniring d.o.o. iz Črne na Koroškem [5].

Izdelavo priljubljenih in vzdrţljivih NiCd akumulatorjev so v devetdesetih letih prejšnjega

stoletja v Evropi prepovedali zaradi toksičnosti kadmija. Zamenjali so jih NiMH

akumulatorji. Ker pa NiCd akumulatorje izven Evrope še vedno izdelujejo in so še vedno zelo

pogosti, predvsem kot polnilna baterija brezţičnih ročnih orodij (vrtalniki, brusilniki) in

radijskih postaj, je zelo pomembno, da izrabljene odnesemo na zbirno mesto, kjer jih bodo

reciklirali in pravilno obdelali.

Li-ionske in Li-polimerne baterije danes zavzemajo največji deleţ v industriji električnih

avtomobilov. Prav električni avtomobili, ki se polnijo z energijo iz obnovljivih virov, bodo

pripomogli k čistejšemu zraku v mestnih središčih.


- 40 -

2.9 RAZVOJ BATERIJ IN PRIHODNOST

Razvoj novih baterij in izboljšava trenutnih Li-ionskih prinaša strm razvoj tudi na drugih

področjih. Baterije postajajo čedalje bolj pomembne kot hranilniki "zelene" energije

pridobljene iz obnovljivih virov in trenutno preseţne električne energije iz omreţij, zato so

gonilo razvoja pametnih omreţij, pametnih mest in pametnih domov. Električni avtomobili in

skuterji ţe sedaj omogočajo dobro, predvsem pa zeleno alternativo motorju z notranjim

izgorevanjem, v prihodnosti pa bodo velik dejavnik v izboljšanju zraka v mestnih središčih.

Hišni hranilniki bodo omogočali prihranke gospodinjstvom, pametna mesta pa bodo z

uporabo in upravljanjem obnovljivih virov energije samozadostna in neodvisna od zunanjega

električnega omreţja.

Pametna omreţja, ali s tujko "Smart grids", so elektroenergetska omreţja, ki z uporabo

informacijsko-komunikacijskih tehnologij (IKT) zagotavljajo zanesljiv in stabilen prenos

električne energije od proizvajalca do porabnika. Zaradi neuravnovešenja med ponudbo in

povpraševanjem po električni energiji, vključno s povečanim uvajanjem obnovljivih virov

energije, s hrambo energije v času preseţkov in njeno sprostitvijo v času večje porabe

zmanjšujejo obremenitve omreţja in povečujejo zanesljivost. Operaterji lahko s primernim

odzivom ob večji proizvodnji električne energije iz obnovljivih virov zmanjšajo porabo

fosilnih goriv, preseţke pa shranijo v baterijah [53].

Shema 15: Razvoj pametnih omreţij [53].

Ob večjih vetrnih ali sončnih elektrarnah v tujini ţe gradijo velike baterije, ki shranjujejo

preseţno električno energijo v času delovanja in jo oddajajo v omreţje, ko elektrarne ne

delujejo (brezvetrje, noč). Najdemo jih na Kitajskem, v ZDA, Kanadi, Nemčiji. Velike

baterije, največja na Kitajskem je po tlorisu večja od nogometnega igrišča, štejejo več deset

ali sto tisoč členov, večinoma litij-ionskih baterij [23].


- 41 -

Del vizije pametnih mest je s pomočjo IKT tehnologije trajnostno zmanjšati porabo energije v

mestih, spodbujati učinkovito rabo električne energije v javnih stavbah in domovih,

spodbujati uporabo električnih vozil v mestnem in osebnem prevozu. Pametna mesta

pridobivajo energijo preteţno iz obnovljivih virov, zato imajo hranilnike energije, ki

omogočajo njihovim prebivalcem zanesljiv in stabilen vir električne energije preko celega

dneva [51].

Shema 16: Vizija pametnih mest.

Hišni hranilniki energije so velike baterije, ki napajajo celotna gospodinjstva. Polnimo jih

takrat, ko imamo poceni vir električne energije – ponoči iz električnega omreţja, ali podnevi s

preseţki lastne sončne elektrarne, uporabljamo pa v času višjih cen energije oz. ponoči.

Omogočajo nam neodvisnost od električnega omreţja oz. rezervno električno energijo [54].

Hišne hranilnike izdelujejo večja podjetja, ki izdelujejo Li-ionske baterije, kot so Tesla,

Orison, Mercedes, Panasonic, Nissan, Powervault. Kapaciteta hranilnikov se giblje med 2,2 in

10 kWh, pri večini ponudnikov pa lahko poveţemo po več enot skupaj in tako dobimo

kapaciteto hranilnika nekaj deset kWh, kar zadošča za celotno dnevno porabo v gospodinjstvu

(v Sloveniji je povprečna dnevna poraba štiri članske druţine 10 kWh). Ker baterije

shranjujejo enosmerni električni tok, porabniki pa delujejo na osnovi izmeničnega toka,

potrebujemo še inverter, v večini primerov pa ob namestitvi tudi pomoč izkušenega

elektroinštalaterja [55].

Shema 17: Shematski prikaz uporabe hišnih hranilnikov [52].


- 42 -

Trenutno nam takšni hranilniki zaradi visokih cen še ne omogočajo vidnih prihrankov, kar pa

ne pomeni, da niso uporabni. Ob izpadih električnega omreţja so uporabni kot nekakšen UPS

in tako v vmesnem času omogočajo normalno funkcioniranje. Ob večjih in daljših izpadih

električnega omreţja (ţled) pa nam omogočajo zasilno funkcioniranje. V prihodnosti bodo

verjetno v kombinaciji z lastno sončno elektrarno zelo pogosti [46].

Avtomobilska industrija predstavlja velik del razvoja baterij. Zaradi zmanjševanja fosilnih

zalog goriva in vse večjega problema izpusta CO2 ter ostalih izpušnih plinov, postajajo

električna vozila čedalje bolj pomemben del predvsem mest, saj neposredno ne onesnaţujejo

okolja z izpusti in tako pripomorejo k čistejšemu zraku.

Z razvojem učinkovitih elektromotorjev in še zmogljivejših baterij, bomo kmalu lahko

potovali tako daleč kot z rezervoarjem bencina. Danes nekateri modeli ţe presegajo doseg 400

km, pri manjših avtomobilih pa je doseg okoli 100 km.

S širjenjem mreţe javnih polnilnih električnih črpalk so dostopna tudi daljša potovanja. V

Sloveniji jih najdemo ţe skoraj 200 [34].

Električne avtomobile izdelujejo ţe vsi večji proizvajalci v avtomobilski industriji. Naj

omenimo le najbolj prodajane modele v letu 2015: Tesla model S, Nissan leaf, Renault zoe in

BMW i3. Pri nas je bilo v letu 2015 na novo prodanih oz. registriranih 144 električnih

avtomobilov, skupno pa jih je registriranih 245 [42].

V Sloveniji imamo več podjetij, ki se ukvarjajo z razvojem elektromotorjev. Naj omenimo

Letriko, ki s svojim inovativnim elektromotorjem dosega do 700 km, nekaj tudi na račun

rekuperacije energije, ki ob zaviranju in voţnji navzdol vrača energijo baterijam.

Ob povečani rabi in prodaji predvsem sekundarnih baterij in vse večjih potrebah

industrijskega trga, je nujno potreben tudi razvoj novih baterijskih sistemov.

Največ obetajo nadaljnje raziskave ţe uveljavljenih Li-ionskih sistemov ter raziskave v smeri

novih sistemov s cenejšimi in bolj dostopnimi materiali, kot so natrijeve, magnezij-ţveplove,

litij-ţveplove, cink-zrak, litij-zrak in redoks pretočne baterije.

Intenzivne raziskave potekajo tudi z organskimi materiali, kjer bi lahko kot katodo litijeve

baterije uporabili Li2C6O6, pridobljen iz sladkorjev v koruzi. Koruzo ţe sedaj uporabljamo pri

izdelavi bioplina in bioetanola. Prav tako sta zelo zanimiva materiala za katodo hipericin iz

šentjanţevke ter jabolčna kislina [1].

V Sloveniji imamo na Kemijskem inštitutu zelo uspešno skupino raziskovalcev, ki jih vodi dr.

Robert Dominko. V okviru projekta Eurolis, ki se uspešno nadaljuje v projekt Helis, se

ukvarjajo s temeljnimi raziskavami litij-ţveplovih akumulatorjev, v sodelovanju s Hondo pa

razvijajo magnezij-ţveplove baterije.

Litij-ţveplovi akumulatorji so zanimivi predvsem zaradi ţvepla, ki je laţje in bolj dostopno

ter posledično cenejše. Z ţveplom pa se izognemo tudi niklju in kobaltu v bateriji.

Takšne baterije so zelo zanimive ne le za avtomobilsko industrijo, temveč tudi za vesoljsko

(dviganje satelitov v orbito) ter vojsko, saj so veliko laţje od ţe obstoječih [6].


- 43 -

Pomembno mesto v razvoju baterij imajo tudi gorivne celice, pri katerih pa degradacija

katalizatorja skrajšuje njegovo ţivljenjsko dobo.

Platina, kot katalizator, je nanesena na ogljikov nosilec. Na njeni površini lahko v gorivni

celici potekata dve reakciji: oksidacija vodika in redukcija kisika. Kadar med zaganjanjem in

ugašanjem gorivne celice na anodi potekata hkrati obe reakciji, pride do razgradnje nosilca

katalizatorja, kar povzroči izpiranje platine. Z dodatkom organskih molekul v obliki koša, je

ekipa znanstvenikov, med njimi tudi doc. dr. Boštjan Genorio iz Fakultete za kemijo in

kemijsko tehnologijo, preprečila redukcijo kisika, med tem ko oksidacija vodika poteka

neovirano. Katalizator so tako naredili selektiven in obstojnejši [9].

Shema 18: Zaščita katalizatorja v gorivnih celicah [9].


- 44 -

3 SPECIALNODIDAKTIČNI DEL

Po pregledu posodobljenih osnovnošolskih učnih načrtov za naravoslovje, kemijo, fiziko ter

tehniko in tehnologijo smo ugotovili, da učni načrt ne predvideva samostojne teme o baterijah

in njihovem delovanju. Zanimalo nas je, kako oz. če je delovanje baterij razloţeno v

učbeniških kompletih, ki jih uporabljajo učenci kot pomoč pri učenju.

V prvem delu so v analizi najprej podani podatki iz učnega načrta za vsak predmet posebej

[49], nato pa še kratki izpiski, ki se dotikajo teme baterij, iz potrjenih učbenikov za šolsko leto

2015/2016 v tiskani obliki [40]. Elektronskih učbenikov nismo analizirali, saj niso vsi splošno

dostopni. Seznam potrjenih učbenikov je v prilogi 1.

Sledi priprava učne enote z eksperimenti in predlog za umestitev teme o baterijah in njihovem

delovanju v učni načrt.

3.1 ANALIZA UČNIH NAČRTOV IN UČBENIŠKIH KOMPLETOV

3.1.1 NARAVOSLOVJE 6

ANALIZA UČNEGA NAČRTA

V učnem načrtu za naravoslovje v osnovni šoli baterije neposredno niso omenjene.

V vsebinskih sklopih Energija in Vplivi človeka na okolje za 6. razred, so omenjeni operativni

cilji, ki se posredno dotikajo tudi baterij.

Vsebinski sklop ENERGIJA

Pridobivanje električne energije:

Spoznajo osnovne principe pridobivanja električne energije (hidroelektrarne,

termoelektrarne, jedrske, vetrne elektrarne idr.).

Spoznajo moţnosti vsestranske uporabe električne energije (grelniki in hladilniki, svetila,

elektromotorji, elektronske naprave idr.) in sklepajo o pomenu varčevanja z električno

energijo.

Tokovi in energija:

Spoznajo in primerjajo različne vrste tokov: tok snovi, toplotni tok, električni tok.

Vsebinski sklop VPLIVI ČLOVEKA NA OKOLJE

Pomen učinkovitega izkoriščanja naravnih virov surovin in energije:

Spoznajo problematiko omejenosti in prekomernega izkoriščanja naravnih virov vode,

surovin in goriv ter se zavedajo nujnosti gospodarnega ravnanja z njimi.

Razumejo pomen učinkovitega ravnanja z energijo, utemeljujejo potrebo po

zmanjševanju porabe energije in ugotavljajo načine varčevanja z energijo.

Spoznajo, da moramo pri vrednotenju učinkovitosti in posledic izkoriščanja naravnih

virov poleg ekonomskih upoštevati tudi okoljske kriterije (npr. onesnaţevanje ozračja,

toplotno onesnaţevanje voda zaradi jedrskih elektrarn, posledice zajezitev).


- 45 -

Razumejo, da pridobivanje in predelava energetskih in drugih naravnih virov vplivata na

okolje (npr. rudniki, kamnolomi).

Gospodarjenje z odpadki:

Spoznajo, kako ravnati z odpadki iz gospodinjstva, ki so okolju in zdravju škodljivi (npr.

pomen ločenega zbiranja in procesiranja odpadkov).

ANALIZA UČBENIŠKIH KOMPLETOV

V učnem načrtu za naravoslovje so teme, ki se vsebinsko dotikajo baterij, obravnavane v 6.

razredu, zato smo pripravili izpiske na temo baterij iz učbeniških kompletov za 6. razred.

S. A. Glaţar, M. Kralj, M. Slavinec. NARAVOSLOVJE ZA 6. RAZRED. DZS.

Leto potrditve 2007. Leto izdaje analiziranega učbenika 2009, delovnega zvezka 2011.

Odsluţene baterije je potrebno odnesti v zbiralnik za izrabljene baterije.

Primer sklenjenega in nesklenjenega električnega kroga z baterijo in ţarnico.

Električni izviri so naprave, ki po električnih krogih poganjajo električni tok.

Slika prereza cilindrične baterije s spodbudo, da učenci tudi sami razstavijo prazno

baterijo.

Galvanski člen je pravilnejše poimenovanje za okroglo baterijo.

Zgradba cink-ogljikove baterije: cinkova posodica, ogljikova palčka, ki se posodice ne

dotika, vmes sta manganov dioksid in raztopina amonijevega klorida.

Akumulatorji so galvanski členi, ki jih lahko ponovno polnimo.

Slika ploščate baterije z razlago polov baterije: (+) pol je krajši, (-) pol pa daljši

priključek.

Galvanski člen v električnem krogu ustvarja električno napetost, ki jo merimo v voltih.

Ploščata baterija je sestavljena iz treh galvanskih členov z napetostjo 1,5 V, torej ima

skupno napetost 4,5 V.

Če veţemo več galvanskih členov zaporedno drugega za drugim, ţarnica sveti svetleje.

V avtomobilskem akumulatorju je šest členov po 2 V, kar daje skupno napetost 12 V.

Volta je med prvimi delal poskuse z električnimi tokovi.

Delovni zvezek, str. 66−67: eksperiment z zaporedno vezavo več baterij in več ţarnic.

R. Ipavec et al. NARAVOSLOVJE 6. TZS.


V ţepnih svetilkah so vir električnega naboja baterije, v avtomobilih pa akumulatorji.

Fotografiji razstavljene cilindrične in ploščate baterije.

Baterija je sestavljena iz več med seboj povezanih galvanskih členov.

Pogovorno poimenovanje baterija namesto galvanski člen.

Zgradba cilindrične baterije: cinkovo ohišje, ogljikova palčka, med njima je snov, po

kateri se prenaša naboj. Cink in ogljikovo palčko lahko nadomestimo s kakšno drugo

kovino.

Ploščata baterija je sestavljena iz več galvanskih členov.

Slika Voltovega stolpa.


- 46 -

Prvo baterijo je izdelal Alessandro Volta leta 1790 iz cinkovih in bakrenih okroglih

ploščic, med katerimi je bila v slano vodo namočena klobučevina.

Fotografija z navodili za eksperiment zaporedne vezave galvanskih členov in ţarnice.

Galvanski člen in baterija v električnem krogu ustvarjata električno napetost, ki poganja

električni tok po ţicah. Električno napetost merimo v voltih.

Običajna napetost galvanskega člena je 1,5 V, baterije pa lahko imajo napetost 4,5, 6 ali

9 V, odvisno od števila med seboj povezanih galvanskih členov.

Namesto električnega omreţja lahko kot vir energije uporabimo galvanski člen, baterijo,

ali akumulator.

Ko na baterijo priključimo napravo, ta porablja energijo, ki je shranjena v njih – pravimo,

da se baterija prazni.

Fotografija polnilca za baterije: nekatere baterije (akumulator) lahko znova napolnimo z

električno energijo iz omreţja, ali s pomočjo naprav, ki pretvarjajo sončno, mehansko ali

toplotno energijo v električno.

Delovni zvezek, str. 51−53:

Eksperiment z galvanskim členom in ţarnico.

Eksperiment zaporedne vezave galvanskih členov.

B. Mihelič et al. NARAVOSLOVJE 6. Rokus Klett.


Fotografije aparatov, ki delujejo na baterije: baterije poganjajo električni tok, razlikujejo

se glede na napetost od 1,5 do 12 V.

Fotografija odprte ploščate baterije: ploščata baterija je sestavljena iz treh enakih členov,

ki so med seboj povezani – galvanskih členov.

Fotografije zaporedne vezave galvanskih členov: ţarnica sveti močneje, če je priključena

na več galvanskih členov.

Fotografija cilindričnih baterij AAA, AA, C, D: čeprav jih v vsakdanjem ţivljenju

poimenujemo baterija, bi bilo bolj prav galvanski element (ne imenuje galvanski člen,

temveč galvanski element!).

Baterije so sestavljene iz dveh ali več galvanskih elementov, zato imajo različno napetost.


Poskus enostavnega električnega kroga z baterijo, ţarnico in vodnikoma.

Poskus z ţarnico in zaporedno vezanimi galvanskimi elementi v koritu.

Zberi čim več različnih baterij. Oglej si napise na njih. V razpredelnico jih nariši in zapiši

kolikšna je njihova napetost v voltih. Naredi poskus, na kateri bateriji ţarnica sveti

najmočneje.

D. Krnel et al. NARAVOSLOVJE 6. Modrijan.


V električnem omreţju je napetost 220 V, kar je za poskuse nevarno, zato so v šoli

primernejši poskusi z baterijami, ki imajo napetost le nekaj voltov.


- 47 -

V baterijah je energija vezana, sprošča se pri spreminjanju snovi v bateriji, kadar je

električni krog sklenjen in teče električni tok. Po daljšem času se ta energija porabi.

Pravimo, da se baterija izprazni.

Fotografija mobilnega telefona in polnilca: nekatere baterije, npr. tiste v mobilnem

telefonu, polnimo.

Fotografija odprte ploščate baterije: baterija, ki ima napetost 4,5 V, je sestavljena iz treh

galvanskih členov z napetostjo 1,5 V.

Fotografija zaporedno vezanih baterij v radiu: v elektronskih napravah navadno

potrebujemo več zaporedno vezanih baterij. Ko jih vstavljamo, moramo paziti, da jih

veţemo (+) na (-) oz. po navodilih.


Poskus električni krog z baterijo, ţarnico in vodniki.

Poskus različnih načinov zaporedne vezave baterij in preizkus, če baterija sveti.

Sestavi preprost elektromotor z baterijo, magnetom in navito ţico.

A. Šorgo, S. A. Glaţar, M. Slavinec. AKTIVNO V NARAVOSLOVJE 1. DZS.


Baterija je izvir električnega toka v enostavnem električnem krogu.

Sčasoma se baterije izpraznijo in električni tok ne teče več.

Iztrošene baterije moramo odnesti v nabiralnik v trgovini ali zbirni center.

Ker baterije vsebujejo škodljive kovine, kot so svinec, kadmij in srebro, zbiranje in

recikliranje preprečuje, da bi se te nevarne snovi sproščale v okolje.

Iz iztrošenih akumulatorjev lahko svinec in nekatere druge komponente uporabljamo za

nove akumulatorje.


Vprašanja ob skici treh različnih baterij in akumulatorjev: Katere naprave poganja

elektrika iz baterij? Ali tudi ta elektrika izvira iz elektrarn?

Fotografija odprte ploščate baterije: če razdreš ploščato baterijo, opaziš, da je zgrajena iz

treh okroglih delov. Opaziš tudi, da je cinkova posodica ene povezana s kapico na

oglenem valju sosednje.

Poskus z zaporedno vezavo baterij.

G. Torkar, I. Devetak, M. Kovič. DOTIK NARAVE 6. Rokus Klett.

Leto potrditve 2012. Leto izdaje analiziranega učbenika 2013.

Slika in shema enostavnega električnega kroga z baterijo.

Baterija je vir električne energije.

Različni električni viri imajo različne napetosti in tako omogočajo uporabo električnega

toka pri preprostih igračah, kot tudi pri velikih napravah.

Fotografija električnega avtomobila na polnilni postaji.

Dejavnost: enostavni električni krog z baterijo, ţarnico in vodniki.

Baterije so nevarni odpadki, ki se zbirajo posebej v premičnih zbirnih postajah ali

regijskih centrih.


- 48 -

M. Dermastia et al. JAZ PA VEM, KAKO ROŢICE CVETO … Modrijan


Da bi številni električni pripomočki lahko delovali, jih moramo priključiti na vir

električne energije. Najpogosteje je to električno omreţje, lahko pa tudi baterija ali

akumulator.

Preprost tokokrog sestavljajo baterija, ţarnica in stikalo.

Električni tok poganja gonilna razlika, ki jo ustvari baterija ali elektrarna. Tej gonilni

razliki rečemo električna napetost.

Baterije moramo zbirati ločeno.

Delovni zvezek je brez vsebin na temo električna energija.

T. Bačič et al. SPOZNAVAMO NARAVO 6. Zaloţba Narava.

Leto potrditve 2012. Leto izdaje analiziranega učbenika 2012.

Fotografija: poskus električna prevodnost z baterijo, ţarnico in ţicami ter različnimi

prevodniki in izolatorji.

Baterije vsebujejo nevarne snovi, zato z njimi ravnamo pazljivo in jih zbirati ločeno.

Fotografija cilindričnih in gumbastih baterij: kam tvoji starši odlagajo baterije, imate

posebne zbiralnike tudi v vaši šoli?

Navadne baterije imajo običajno napetost 1,5 V, akumulator v avtomobilu ima 12 V.

Električna napetost je gonilna razlika, ki premika nabite delce.

Fotografije različno svetlečih ţarnic: ţarnice priključimo na baterije z različno napetostjo

– večja kot je električna napetost, večji tok steče skozi ţarnico in ta močneje sveti.

Baterije sodijo med nevarne odpadke – nevarnih odpadkov ne smemo odloţiti med

navadne gospodinjske odpadke, ampak na posebna zbirna mesta.

3.1.2 TEHNIKA IN TEHNOLOGIJA 7


V učnem načrtu za tehniko in tehnologijo v osnovni šoli baterije neposredno niso omenjene.

V vsebinskem sklopu Električni krog v 6. razredu so omenjeni operativni cilji, ki se posredno

dotikajo tudi baterij.

Vsebinski sklop Električni krog:

Opišejo sestavo in delovanje električnega kroga ter opredelijo vlogo in lastnosti osnovnih

gradnikov.

Ugotovijo potrebne pogoje, da v električnem krogu teče električni tok.

Električno napetost razumejo in opišejo kot lastnost vira, da poganja električni tok,

imenujejo enoto zanjo in opišejo nevarnosti električnega toka.

Prikaţejo pomen električne energije za razvoj civilizacije in vpliv njene proizvodnje na

obremenitev okolja.

Predstavijo moţnosti za alternativno pridobivanje električne energije.


- 49 -


V učnem načrtu za tehniko in tehnologijo so teme, ki se vsebinsko dotikajo baterij,

obravnavane v 7. razredu, zato smo pripravili izpiske na temo baterij iz učbeniških kompletov

za 7. razred.

S. Fošnarič et al. TEHNIKA IN TEHNOLOGIJA 7 (prenovljeno). Izotech.


Uporaba baterije v poskusih: preprost električni krog, preizkus prevodnosti prevodnikov

in izolatorjev, zaporedno vezana stikala, smer vrtenja elektromotorja ob zamenjavi polov

priključkov baterije, električno vezje z dvema menjalnima stikaloma in elektromotorjem,

izdelava elektromotorja, izdelava vozila na propelerski pogon.

V poglavju Tehnična sredstva so omenjeni Luigi Galvani, Alessandro Volta, Andre

Ampere, Nikola Tesla in Thomas Alva Edison kot pionirji elektrotehnike.

O kemičnih učinkih električnega toka se bodo učili pri kemiji in fiziki.

Baterije in akumulatorji poganjajo električni tok pri manjših električnih porabnikih, pri

elektronskih aparatih in pri prevoznih sredstvih.

Ob slikah porabnikov, slike vira električne napetosti z nazivno napetostjo: ura – gumbna

baterija 1,5 ali 3 V, daljinec – galvanski člen 1,5 V, svetilka – ploščata baterija 4,5 V,

avto – akumulator 12 V, kolo – dinamo 6 V, mali kalkulator – sončna celica 1,5 V.

Uporaba svetilk na baterijske vloţke na kolesu.

Baterije in akumulatorji so viri enosmerne napetosti.

Delovni zvezek:

Tabela z različnimi baterijami (gumbna, alkalna, ploščata 4,5 V in 9 V), njihovimi

nazivnimi napetostmi in podatkom, kako močno sveti ţarnica, če je priključena nanje.

Primerjaj električna kroga z baterijo in dinamom in zapiši ugotovitve. Pri bateriji ţarnica

zasveti takoj, saj ima v sebi shranjeno električno energijo.

Razpredelnica z različnimi viri energije (dve bateriji, akumulator, sončna celica, dinamo

in vtičnica), napetostjo, enosmernim ali izmeničnim tokom in uporabo.

Izdelava elektromotorja. Smer vrtenja elektromotorja ob zamenjavi polov baterije.

Izdelava modela zapornice, ki jo dviga in spušča elektromotor.

B. Aberšek. TEHNIKA IN TEHNOLOGIJA 7. DZS.


Baterije uporabljamo v prenosnih elektronskih napravah. Sestavljena je iz enega ali več

členov, to je majhnih kovinskih posodic, v katerih so posebne snovi, ki med seboj

učinkujejo in s tem ustvarjajo električno napetost. Sčasoma se snovi izrabijo, zato taka

baterija ni več uporabna.

Ko gremo kupiti novo baterijo, vzemimo staro s sabo in jo odloţimo v poseben zbiralnik,

saj so snovi v bateriji zelo nevarne za okolje.

Baterije imajo majhne napetosti, najpogosteje 1,5 V, 4,5 V in 9 V. dotik s poli baterije za

nas ni nevaren.

Za električni krog, ki ga vzpostavimo z baterijo, je značilno, da teče tok stalno v eni

smeri, od pozitivnega (+) k negativnemu (-) priključku. Znotraj baterije pa teče tok od (-)


- 50 -

k (+) priključku. Takemu toku pravimo enosmeren. Podoben tok omogočajo

akumulatorji.

Delovni zvezek:

poskus z baterijami in elektromotorjem. Dokaţejo, da je smer vrtenja elektromotorja

odvisna od smeri električnega toka.

3.1.3 KEMIJA 8


V učnem načrtu za kemijo v osnovni šoli baterije neposredno niso omenjene.

V vsebinskih sklopih Kemijske reakcije, Elementi v periodnem sistemu ter Kisline, baze in

soli, so omenjeni operativni cilji, ki se posredno dotikajo tudi baterij.

Vsebinski sklop Kemijske reakcije:

Znajo prepoznavati kemijske spremembe.

Razumejo kemijske spremembe kot kemijske reakcije oziroma kot snovne in energijske

spremembe.

Opredelijo reaktante in produkte kemijske reakcije.

Razlikujejo med kemijskimi reakcijami, pri katerih se energija sprošča oziroma veţe

(porablja).

Razumejo, da za kemijske reakcije velja zakon o ohranitvi mase snovi.

Spoznajo kemijske enačbe kot zapise kemijskih reakcij in poznajo pravila za urejanje

kemijskih enačb.

Uporabljajo eksperimentalno raziskovalni pristop oziroma laboratorijske spretnosti pri

proučevanju kemijskih reakcij in poglabljajo znanja s področja kemijske varnosti

(varnega dela s kemikalijami).

Razumejo kemijske reakcije z uporabo vizualizacijskih sredstev (modelov, animacij in

submikroskopskih prikazov kemijskih reakcij) in se tako urijo v zapisovanju preprostih

kemijskih reakcij z urejenimi kemijskimi enačbami (od makroskopskega (besednega),

prek submikroskopskega (modelni prikazi) do simbolnega zapisa).

Vsebinski sklop Elementi v periodnem sistemu:

Razlikujejo med kovinskimi in nekovinskimi lastnostmi elementov v povezavi s PSE.

Poznajo osnovne značilne lastnosti in uporabo alkalijskih kovin, zemeljskoalkalijskih

kovin, izbranih prehodnih elementov, halogenov in ţlahtnih plinov.

Razumejo vlogo izbranega elementa v sodobnih tehnologijah.

Spoznajo pomen kemijske industrije pri pridobivanju oziroma predelavi najrazličnejših

snovi (spojin) in vlogi kemije v sodobnih tehnologijah.

Vsebinski sklop Kisline, baze in soli:

Poznajo pomen, uporabo in vpliv kislin, baz in soli v ţivljenju in okolju.


- 51 -


V učnem načrtu za kemijo so teme, ki se vsebinsko dotikajo baterij, obravnavane v 8. razredu,

zato smo pripravili izpiske na temo baterij iz učbeniških kompletov za 8. razred.

M. Graunar et al. KEMIJA DANES 1. DZS.


Preizkus električne prevodnosti vodnih raztopin z grafitnima elektrodama, vodniki,

ţarnico in 4,5 V baterijo.

V galvanskih členih, ki jih vsakdanje imenujemo baterije, potekajo kemijske reakcije med

snovmi v bateriji, pri tem pa nastaja električni tok. Snovi v bateriji se sčasoma porabijo in

baterija ne proizvaja več električne napetosti, zato jo zavrţemo. Pri nekaterih baterijah

lahko kemijsko reakcijo obrnemo, če poţenemo skoznje tok v obratni smeri in jo tako

spet napolnimo. Takšni so npr. avtomobilski akumulator in polnilne baterije za različne

električne aparate.

Slika različnih cilindričnih baterij in akumulatorja.

Litijeve spojine uporabljajo v majhnih trajnih gumbastih baterijah, ki so v urah, ţepnih

kalkulatorjih, kamerah, srčnih spodbujevalnikih.

V delovnem zvezku ni vsebin na temo baterij.

A. Gabrič et al. KEMIJA DANES 1. DZS.


Fotografija baterij in akumulatorja: v baterijah potekajo kemijske reakcije, pri katerih

nastaja električni tok. Snovi se sčasoma porabijo in baterije zavrţemo. Pri nekaterih

baterijah pa kemijske reakcije lahko obrnemo. Avtomobilski akumulator lahko spet

napolnimo, če poţenemo skozenj tok v obratni smeri.

Baterije in akumulatorji vsebujejo škodljive snovi, zato jih ne smemo odlagati med

gospodinjske odpadke, temveč jih zbiramo posebej in občasno odnesemo na deponije.

Slika eksperimenta preverjanje električne prevodnosti vodnih raztopin z baterijo, ţarnico,

vodniki in grafitnima elektrodama.

Delovni zvezek:

Vprašanja o baterijah: Kaj naredite doma z izpraznjeno baterijo? Ali poznate baterije, ki

jih je mogoče zopet napolniti? Katere baterije je bolje uporabljati?

Eksperiment preverjanje električne prevodnosti vodnih raztopin z baterijo, ţarnico,

vodniki in grafitnima elektrodama.

M. Vrtačnik et al. MOJA PRVA KEMIJA. Modrijan.


Fotografija preizkusa preverjanja električne prevodnosti vodnih raztopin z baterijo,

ţarnico, vodniki in elektrodama.

Dve fotografiji prikaza ţarenja ţelezne volne s 4,5 V baterijo kot prikaz, da se lahko pri

kemijski reakciji sprošča energija.

Navodila za eksperiment z baterijo in aparaturo za preverjanje prevodnosti raztopin.

V delovnem zvezku ni vsebin na temo baterij.


- 52 -

S. A. Glaţar et al. MOJA PRVA KEMIJA 1. Modrijan.


Fotografija preizkusa preverjanja električne prevodnosti vodnih raztopin z baterijo,


Dve fotografiji prikaza ţarenja ţelezne volne s 4,5 V baterijo kot prikaz, da se lahko pri

kemijski reakciji sprošča energija.

Fotografija aparature za elektrolizo vode in navodila za eksperiment.

Delovni zvezek:

Navodila za preizkus preverjanja električne prevodnosti vodnih raztopin z baterijo,


T. Cvirn Pavlin, I. Devetak, S. Jamšek. PETI ELEMENT 8. Rokus Klett.


Fotografija aparature za elektrolizo vode z baterijo.

V bateriji se energija reaktantov pretvori v električno energijo.

Delovni zvezek:

Članek iz poljudnoznanstvene revije o gorivnih celicah: gorivne celice je leta 1839 izumil

William Grove. V gorivnih celicah se spajata vodik in kisik, sprošča se toplota, ki se

pretvori v električno energijo. Povezava gorivnih celic in električnih avtomobilov ter

problem pridobivanja goriva z električnim tokom, ki izvira iz termoelektrarn.

Dodana so vprašanja za razumevanje. Katero obliko energije dajejo gorivne celice? Kje

so moţna področja uporabe gorivnih celic? Zakaj veljajo za okolju prijazno obliko

pridobivanja energije?

V razdelku "učimo se skupaj" so predstavljene baterije kot nadgradnja znanja.

Baterije so naprave, ki pretvarjajo kemično energijo v električno, med sabo se razlikujejo

v različni sestavi. Različne snovi dajejo baterijam različne lastnosti, med drugim tudi ali

lahko baterijo napolnimo ali ne. Kemijski proces, ki poteka v bateriji ob praznjenju, je

mogoče obrniti le pri določenih vrstah.

Alkalne baterije so najbolj prodajane in najbolj uporabljane baterije za enkratno uporabo.

V zadnjem času so se pojavile tudi alkalne baterije, po sestavi in lastnostih podobne

navadnim alkalnim baterijam, ki jih je mogoče spet polniti, vendar le nekje med 20- in

100-krat.

Nikelj kadmijeve (NiCd) baterije vsebujejo elementa kadmij in nikelj, polnimo jih nekje

do 1000-krat, "pomnijo" prejšnja polnjenja. Če jih ne izpraznimo v celoti, se pri

naslednjem polnjenju ne bodo več popolnoma napolnile.

NiMh baterije so podobne NiCd baterijam, le da je namesto kadmija uporabljena posebna

kovinska zlitina. Mh je okrajšava za metal hydride. (uporabijo malo črko h za oznako

hidrida)

Litijeve in litij-ionske baterije so se na trgu začele pojavljati v zadnjem času, vsebujejo

litij, litij-ionske lahko polnimo. So nevarne, litij v stiku z vodo reagira tako, da sprošča

vodik, ki je vnetljiv in eksploziven.


- 53 -

Recikliranje baterij je dober način, da pripomoremo k varovanju okolja. Baterije niso

običajen gospodinjski odpadek, saj se na smetišču ob razpadanju sproščajo nevarne

kovine (svinec, kadmij, cink, ţivo srebro) in onesnaţujejo tla in vodo.

Predstavljeni so podatki koliko je vsako leto v Evropi odvrţenih baterij in da je

recikliranih le okoli 20 %, odstotek recikliranja v avtomobilski industriji je višji.

Skladno z določili nove direktive Evropske unije bodo morale članice vzpostaviti zbirna

mesta za zbiranje izrabljenih baterij in akumulatorjev. Izrabljene baterije bodo morali

sprejemati vsi prodajalci baterij, proizvajalci pa bodo morali poskrbeti za varno reciklaţo

vseh materialov.

Kratka vprašanja za razumevanje. Kaj so baterije? Kaj se dogaja v bateriji? V čem se med

seboj razlikujejo baterije? Katere snovi so v baterijah? Poišči jih v periodnem sistemu

elementov. Zakaj baterije predstavljajo nevarnost za okolje? Zakaj se po vašem mnenju v

Evropski uniji reciklira le vsaka peta baterija? Zakaj nihče ne izdeluje biobaterij, ki bi

bile narejene iz okolju prijaznih materialov?

V razdelku "čas je za akcijo" pobuda za stalno zbiranje odpadnih baterij v šoli.

A. Kornhauser, M. Frazer. POGLED V KEMIJO 8. MKZ.


Samostojna učna tema Elektrokemijske celice in baterije.

Osnove iz elektrokemije: kaj je elektron, kation, anion, elektrolit, neelektrolit, prevodniki,

izolatorji, izpodrivanje kovin.

Shema galvanskega člena in elektrolitske celice, razlika med njima.

V učbenikih fizike in kemije so opisani številni primeri aparatov, ki so zgrajeni iz dveh

trdnih električnih prevodnikov – elektrod, potopljenih v elektrolit. Elektrodi sta povezani

z ţico (kovinski prevodnik).

V galvanskem členu kemijska reakcija proizvaja električni tok, kemijska energija se

pretvarja v električno. V elektrolitskih celicah kemijska reakcija porablja električni tok,

električna energija se pretvarja v kemijsko.

Kadar zaporedno veţemo več galvanskih členov, nastane baterija. Ime "baterija" v praksi

pogosto uporabljamo tudi za posamezen člen, kar pa je ohlapno izraţanje.

Fotografija eksperimenta galvanski člen v domači kuhinji z limono.

Shema enostavnega galvanskega člena z bakrovo in cinkovo elektrodo, glinenim

cvetličnim lončkom kot pregrado in dvema različnima elektrolitoma.

Razlaga poteka in simbolni zapis reakcij na cinkovi in bakrovi elektrodi brez zunanjega

tokokroga in kaj se zgodi, ko vzpostavimo zunanji tokokrog.

Zn Zn2+

+ 2 e- Cu

2+ + 2 e

- Cu

Elektroni tečejo od cinkove elektrode skozi zunanji tokokrog na bakrovo elektrodo. Cink

se raztaplja, baker se izloča. Električni krog je sklenjen, ker ioni, kot nosilci električnega

naboja prehajajo skozi porozno ţgano glino.

Shema suhega člena z označenim (+) in (-) polom, ogljikovo palico kot pozitivno

elektrodo, NH4Cl pasta, oglje v prahu + MnO2 in cinkovo posodo kot negativno

elektrodo. Suhi člen s cinkovo in ogljikovo elektrodo daje napetost 1,5 V.


- 54 -

Suhi člen so razvili zaradi teţav s tekočino v elektrodah, ki se je pogosto razlila. Primer je

suhi člen, v katerem sta elektrodi cink in ogljik, elektrolit pa vlaţna pasta, ki vsebuje

predvsem amonijev klorid. Cink je negativna elektroda in tvori notranje ohišje člena.

Pozitivna elektroda je ogljik v manganovem dioksidu MnO2.

Reakcija na negativni elektrodi: Zn Zn2+

+ 2 e-

Reakcija na pozitivni elektrodi je bolj zapletena. Njeno bistvo je, da se elektroni veţejo z

ioni Mn4+

, ki so v MnO2: Mn4+

+ e- Mn

3+

Člene, ki se izrabijo, imenujemo primarni členi. Izrabljeni členi spadajo med nevarne

odpadke in jih moramo nadzorovano odlagati.

Obstajajo obnovljivi členi, ki jim pravimo sekundarni členi. V njih potekata dva procesa,

praznjenje in polnjenje.

Praznjenje: električni tok se proizvaja s kemijskimi reakcijami na elektrodah tako kot pri

drugih galvanskih členih in se porablja za opravljanje dela.

Polnjenje: elektrodi zveţemo z zunanjim izvirom istosmernega električnega toka in

reakcije na elektrodah potekajo v nasprotni smeri. Pri polnjenju se električna energija

shrani kot kemijska energija, ki se zatem pri praznjenju spet sprošča kot električna

energija.

Fotografija obnovljivega člena "nicad", ki ga uporabljamo v elektronskih napravah.

Negativna elektroda je kadmij, pozitivna nikelj, elektrolit je alkalen.

Shema svinčevega akumulatorja z označenimi sestavnimi deli: plastično ohišje, plošče iz

svinca, porozna plastika za ločitev plošč, elektrolit je razredčena ţveplova kislina,

priključki iz svinca. Svinčev akumulator uporabljamo za zagon motorja, za ponovno

polnjenje je priključen na dinamo avtomobila.

Najbolj znana baterija iz obnovljivih členov je avtomobilski svinčev akumulator. Vsak

člen prispeva pribliţno 2 volta. Navadno je povezanih 6 členov v 12-voltno baterijo.

Negativna elektroda je svinec. Pozitivna elektroda pa je svinec, prekrit s svinčevim

oksidom PbO2, ki vsebuje ione Pb4+

. Elektrolit je ţveplova kislina.

V poenostavljenih reakcijah so zanemarjene reakcije svinčevega sulfata in ţveplove

kisline, ki tudi sodelujeta v teh reakcijah:

Na negativni elektrodi: Na pozitivni elektrodi:

Pb Pb2+

+ 2 e- Pb

4+ + 2 e

- Pb

2+

Shema delovanja gorivne celice.

V gorivnih celicah kemijske reakcije uporabimo za neposredno pretvorbo kemijske

energije v električno. Najbolj enostavno gorivo je vodik, ki pri spajanju s kisikom v

ustrezni aparaturi proizvaja električni tok. Elektrodi sta iz platine, elektrolit je raztopina

kalijevega hidroksida. Prek ene elektrode neprekinjeno teče vodik, prek druge kisik.

Sproščanje elektronov na negativni elektrodi: 2 H2(g) + 4 OH-(aq) 4 H2O(l) + 4 e

-

Elektroni ţenejo reakcijo s kisikom: O2(g) + 2 H2O(l) + 4 e- 4 OH

-(aq)

V zdruţeni reakciji dobimo reakcijo za zgorevanje vodika: 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l)

V gorivni celici se izrablja gorivo, v drugih celicah pa elektrode. V številnih vrstah

gorivnih celic uporabljajo tudi druga goriva ter različne elektrode in elektrolite.

Karikatura: elektriko v vesoljskem plovilu zagotavljajo gorivne celice, kozmonavti pa

lahko pijejo reakcijski produkt.

praznjenje (galvanski člen)

polnjenje (elektrolitska celica)

praznjenje (galvanski člen)

polnjenje (elektrolitska celica)


- 55 -

Delovni zvezek:

Eksperiment katere snovi so elektroliti s 6 V baterijo.

Eksperiment galvanski člen z limono.

Naloge: pripravi zbirko galvanskih členov, vsakega označi, navedi napetost, elektrodi in

elektrolit ter ugotovi, ali je obnovljiv. Navedi tudi, kako moramo ravnati z izrabljenimi

baterijami. V svojo zbirko dodaj nove ključne besede in njihov pomen, podatke o

Galvaniju. Na medmreţju poišči podatke o razvoju gorivnih celic (gorivnih členov) za

avtomobile prihodnosti. Kaj bo prednost takšnih avtomobilov?

Vprašanja dopolnjevalnega tipa za razumevanje galvanskih členov.

A. Smrdu. SVET KEMIJE 8, OD ATOMA DO MOLEKULE. Jutro.


Fotografija litijeve primarne gumbaste baterije in baterije mobilnega telefona: litij je

ključna kovina za izdelavo baterij. Poznamo različne vrste litijevih baterij, nekatere so za

enkratno uporabo (npr. za napajanje ročnih ur, računal, daljinskih upravljalnikov),

nekatere pa lahko ponovno napolnimo (npr. v prenosnih telefonih, prenosnih

računalnikih, fotoaparatih). Litijeve baterije se uporabljajo za pogon električnih vozil.

Nekatere kemijske reakcije lahko potečejo v obe smeri. Značilen primer so kemijske

reakcije v baterijah in akumulatorjih. Baterije (npr. v mobilnih telefonih, prenosnih

računalnikih) in avtomobilske akumulatorje lahko napolnimo tako, da jih priključimo na

vir električnega toka. Pri polnjenju baterij potekajo nasprotne kemijske reakcije kot pri

njihovem praznjenju.

Fotografija polnilca za baterije: polnjenje baterije – endotermna reakcija. Pri polnjenju

baterije se energija veţe iz okolice (v tem primeru je okolica električni priključek). Polna

baterija (na koncu – produkt) ima večjo energijo kot prazna baterija (na začetku –

reaktant).

Fotografija enostavnega električnega kroga s ploščato baterijo, vodnikoma in ţarnico:

praznjenje baterije – eksotermna reakcija. Pri praznjenju baterije se energija sprošča v

okolico (npr. kot svetloba). Prazna baterija (na koncu – produkt) ima manjšo energijo kot

polna baterija (na začetku – reaktant).

Vprašanje za utrjevanje znanja. V baterijah se nahajajo različne snovi. Kaj piše na

baterijah, ki jih lahko ponovno polnimo?

Fotografiji dveh cink-ogljikovih baterij. V običajnih baterijah sta cink in ogljik – oba

prevajata električni tok (ta baterija vsebuje tudi svinec Pb). Baterij ne smemo odlagati

med ostale odpadke.

Običajni avtomobilski akumulator vsebuje ţveplovo tudi kislino.

V slovarčku najdemo razlago za akumulator, baterijo, elektrolit.

Delovni zvezek:

Vprašanje, ali praznjenje akumulatorja predstavlja kemijsko reakcijo?

Opredeli polnjenje akumulatorja in praznjenje baterije kot eksotermno oz. endotermno

reakcijo.


- 56 -

3.1.4 FIZIKA 9


V učnem načrtu za fiziko v osnovni šoli baterije neposredno niso omenjene.

V vsebinskih sklopih Električni tok,Električna napetost ter Zaporedna vezava porabnikov, so

omenjeni operativni cilji, ki se posredno dotikajo tudi baterij.

Vsebinski sklop Električni tok:

Opišejo električni tok kot usmerjeno gibanje električnega naboja.

Usvojijo, da so elektroni nosilci električnega naboja v kovinah.

Raziščejo ali so snovi električni prevodniki ali izolatorji.

S poskusi spoznajo osnovne elemente električnega kroga.

Razloţijo kratek stik.

Izmerijo električni tok.

Vsebinski sklop Električna napetost:

Ugotovijo, da je napetost sposobnost izvira, da lahko poganja električni tok.

Raziščejo, da napetost izvira poganja električni tok skozi porabnik, kadar je električni tok

sklenjen.

Samostojno izmerijo napetost na izviru.

Vsebinski sklop Zaporedna vezava porabnikov:

Prepoznajo vzporedno in zaporedno vezavo elementov v električnem krogu.


V učnem načrtu za fiziko so teme, ki se vsebinsko dotikajo baterij, obravnavane v 9. razredu,

zato smo pripravili izpiske na temo baterij iz učbeniških kompletov za 9. razred.

M. Ambroţič et al. FIZIKA, NARAVA, ŢIVLJENJE 2. DZS.


Električni krog z ţarnico in 4,5 V baterijo, prevodniki in izolatorji.

Baterija je električni izvir.

Risanje shem električnega vezja z baterijo.

Nikakor ni vseeno, kako obrnemo pola pri bateriji, shema različnih zaporednih vezav.

Anekdota o Galvaniju, pocinkanem kroţniku in ţabjih krakih.

Galvanski člen je najstarejši izvir električnega toka, sestavljen iz dveh različnih kovinskih

teles, imenovani elektrodi, ki sta potopljeni v električno prevodno tekočino, elektrolit.

Več galvanskih členov poveţemo v baterijo, ki je električni izvir. Baterija ima dva pola,

ki sta na njej tudi označena: pozitivni in negativni pol.

Ob fotografiji svinčevega akumulatorja in cilindričnih NiCD baterij: galvanskim členom

so podobni akumulatorji, ki jih poznamo v različnih izvedbah: svinčevi, nikelj kadmijevi.

Lahko jih ponovno napolnimo.

Ob karikaturi človeka, ki z jezikom preizkuša delovanje 4,5 V baterije: elektrika iz baterij

nam ni nevarna, vendar previdnost ni odveč. Priključka avtomobilskega akumulatorja

lahko primeš, če pa ju poveţeš z ţico, se zaiskri, akumulator lahko pregori.


- 57 -

Vprašanja za razumevanje snovi: katere galvanske člene poznaš, poišči jih po knjigah, je

svinčev akumulator električni izvir, ali porabnik.

Naloge: vzemi izrabljeno in novo okroglo baterijo in ju razdri. Kakšna je razlika med

njima, pomen sestavnih delov. Zakaj se baterija izprazni?

Zaradi strupenih snovi je potrebno baterije odlagati tam, kjer jih zbirajo.

Kakšno ţarnico lahko priključiš na avtomobilski akumulator?

Ob sliki suhega Leclanchéjevega člena: najbolj razširjen galvanski člen, ki ima eno

elektrodo je ogleno, druga pa je posoda iz cinkove pločevine- oglena elektroda je obdana

z rjavim manganovcem (MnO2), elektrolit je raztopina amonoklorida ali salmiaka. Po

uporabi ga ne moremo ponovno napolniti, zato ga zavrţemo.

Poskus elektroliza vode z grafitnima elektrodama.

Ali lahko z opazovanjem ţarnic določiš, v katero smer teče električni tok v bateriji?

Eksperiment električni vodnik in magnetna igla s 4,5 V baterijo.

Ob sliki elektrolize modre galice: raztopino modre galice sestavljajo pozitivni bakrovi

ioni in negativno nabiti preostanki molekule modre galice. Pozitivne bakrove ione

pritegne negativna katoda (kationi), negativni preostanki (anoioni) pa potujejo proti

anodi. Katoda čez čas postane prevlečena s tanko plastjo bakra. Ko na bateriji zamenjamo

priključka, se baker nabira na drugi elektrodi. Smer toka se obrne, če zamenjamo

priključka na bateriji.

Smer električnega toka je enaka smeri gibanja pozitivno nabitih delcev, smer električnega

toka v elektrolitu se ujema s smerjo potovanja kationov. Znotraj baterije pa je ravno

obratno: električni tok teče od negativnega k pozitivnemu.

Ob sliki razlaga zaporedne in vzporedne vezave z 4,5 V baterijo in tremi ţarnicami.

Slika in ţivljenjepis Alessandra Volte. Dokazal je, da električni tok izvira iz kovin in ne

ţabjih krakov, sestavil je prvo baterijo, Voltov stolp.

Poskus merjenje napetosti vzporedno in zaporedno vezanih baterij.

Razdelek "Hočem vedeti še več". Ob karikaturi razlaga električnega naboja v bateriji in

hitrost praznjenja glede na količino priključenih porabnikov.

Prerez svinčevega akumulatorja in opis sestavnih delov, poudarek, da jih lahko ponovno

polnimo: prazen svinčev akumulator priključimo na električni izvir, ki skozi njega poţene

tok. Akumulator se pri tem segreva, zato poteče (endotermna) kemična reakcija (iz

svinčevega sulfata nastaja svinčev dioksid, svinec in ţveplena kislina 2PbSO4 + 2H2O

PbO2 + Pb + 2H2SO4). Vloţeno električno delo se pretvori v kemično energijo med

polnjenjem nastalih spojin, del energije pa se pretvori v toploto, ki jo akumulator odda

okolici. Med praznjenjem akumulator poganja električni tok, reakcija pa poteče v

nasprotni smeri.

Zanimivost: avtomobili na električni pogon za voţnjo po mestu. Izračunaj maso

akumulatorjev, ki jih avtomobil potrebuje za pot dolgo 100 km.

Delovni zvezek:

Vprašanja z dopolnjevanjem za ponovitev, kriţanka, risanje shem, ob shemi razloţi

elektrolizo bakrovega sulfata.

Poskusi: električni krog, električna vezja z baterijo.


- 58 -

T. Maroševič et al. FIZIKA +9. Rokus Klett.


Fotografija elektrolize vode z baterijo.

Baterije so vir enosmerne napetosti, ki skozi električni tok potiskajo elektrone iz enega

priključka na drugega. Priključka imenujemo tudi pola. Pol, na katerem je preseţek

elektronov, imenujemo negativni pol, drugega pa pozitivni pol. Smer električnega toka je

dogovorjena tako, da električni tok teče od pozitivnega priključka baterije k negativnemu,

ravno v obratni smeri, kot se po električnem krogu gibljejo elektroni.

Eksperiment zaporedne vezave več baterij. Napetost dveh zaporedno vezanih baterij je

večja od napetosti ene same.

Fotografije 1,5 V baterije, 12 V akumulatorja, 0,5 V sončne celice in 6 V dinama:

generatorji, ki imajo označena pola (+) in (-), so generatorji enosmerne napetosti

(elektrone potiskajo ves čas v eno smer), generatorji, ki nimajo označenih polov, so

običajno generatorji izmenične napetosti (elektrone potiskajo zdaj v eno, zdaj v drugo

smer).

Slika Luigija Galvanija in anekdota z ţabjimi kraki, po njem se imenuje galvanski člen.

Delovni zvezek:

Fotografija elektrolize vode z baterijo v temi učinki električnega toka.

Uporaba baterije pri poskusih: primer vezave ţarnice, prevodniki in izolatorji.

Računske naloge, kjer je kot vir električnega toka navedena baterija.

Razlikovanje med viri enosmerne in izmenične napetosti.

B. Beznec. MOJA PRVA FIZIKA 2. Modrijan.


Fotografija med viri električnega toka: baterije so sestavni del galvanskih členov.

Če poveţemo v električni krog le baterijo in ţico, ustvarimo kratek stik.

Električni tok, ki steče po snovi, lahko povzroči kemijske reakcije. Govorimo o

kemijskem učinku električnega toka.

Ob sliki in shemi: poskus bakrenja ključa. Masa izločenega bakra je odvisna od trajanja

elektrolize.

Ob shemi navodila za elektrolizo slane vode.

Akumulator in baterija sta vir enosmerne napetosti. Gumbna baterija na sliki ima napetost

3 V, avtomobilski akumulator pa 12.

Ob sliki Alessandra Volte: Galvani in poskusi z ţabjimi kraki, Voltovi poskusi, da je

dokazal, da elektrika izvira iz kovin in opis Voltovega stolpa.

Vir napetosti lahko izdelaš sam iz krompirja ali jabolka in dveh ploščic različnih kovin.

Odstrani pokrovček na daljinskem upravljalniku in si oglej lego vloţenih baterij.

Ob fotografiji odprte ploščate baterije: zaporedna vezava galvanskih členov.

Delovni zvezek;

Vprašanja za ponovitev snovi, računske naloge z akumulatorjem.

Označi smer toka v bateriji in smer toka skozi ţarnico.

Računanje napetosti pri zaporedni in vzporedni vezavi.

Risanje shem električnega vezja.


- 59 -

A. Demšar et al. ZAKAJ SE DOGAJA? 9. Rokus Klett.


Fotografiji cilindrične baterije s podatkoma o električnem naboju (300 mAh) in

napetostjo 1,5 V.

Razmisli, zakaj baterija, ki ima majhno napetost, z električnim tokom oskrbuje le manjše

naprave?

Izračun, koliko električne energije lahko hrani baterija.

Karikatura Volte ob Voltovem stebru.

Leta 1800 je italijanski fizik Alessandro Volta izdelal prvo baterijo, ki je pomenila velik

premik v uporabi električne energije. Ugotovil je, da se v raztopini (npr. slana voda), v

kateri sta potopljeni paličici iz različnih kovin (npr. baker in cink), prerazporedi električni

naboj. Na eni paličici je preseţek negativnega naboja, na drugi pa pozitivnega naboja.

Zaradi tega je med paličicama električna napetost. Omenjeni paličici sta lahko pozitivni

in negativni priključek baterije. Če bi ju povezali s koščkom ţice, bi se prosti nosilci

električnega naboja začeli gibati od enega priključka k drugemu. Bistvo baterije (in vseh

drugih virov napetosti) je, da razdeli električni naboj, zaradi česar se med priključkoma

pojavi električna napetost, ki lahko ustvari stalni tok delcev z električnim nabojem.

Risba smeri električnega toka in smeri gibanja elektronov: smer električnega toka je

dogovorjena – električni tok teče od pozitivnega priključka baterije k negativnemu.

Elektroni, ki ustvarjajo električni tok v kovinah, se gibljejo od negativnega priključka k

pozitivnemu.

Ob risbi razlaga električnega kroga z baterijo, vodnikoma in ţarnico.

Zapis baterije s simbolom, risanje sheme električnega kroga.

Delovni zvezek:

Naloga igra vlog, ko se učenec postavi v vlogo Alessandra Volte in ob predstavitvi

svojega izuma odgovarja na vprašanja poslušalcev. Označijo še sestavne dele baterije ob

skica kozarca, v katerem sta dve različno obarvani palčki, označeni s (+) in (-).

Baterijo uvrstijo med vire napetosti.

Merijo napetost 1,5 V baterije.

Označevanje baterij na shemah električnih vezij.


- 60 -

3.1.5 POVZETEK

V učbeniških kompletih za naravoslovje baterije uporabljajo za prikaz sklenjenega

električnega kroga in zaporedne vezave več členov, nekateri učbeniki prikaţejo odprto

ploščato baterijo, nekateri prerez suhega člena. Več učbenikov omenja, da je galvanski

člen bolj primerno poimenovanje baterij (alkalnih, cink-ogljikovih), ki jih uporabljamo v

vsakdanjem ţivljenju. V večini učbenikov so predstavljene 1,5 V, 4,5 V baterije in

avtomobilski akumulator. V zgodovino baterij se ne poglabljajo. Velik poudarek je na

pravilnem zbiranju in recikliranju baterij.

Učbeniki se med sabo močno razlikujejo. Nekateri imajo biološke, fizikalne in kemijske

vsebine primerno razporejene (Glaţar, Ipavec), v nekaterih pa je več poudarka na

bioloških vsebinah (Dermastia, Bačič).

V učbeniških kompletih za tehniko in tehnologijo baterije predvsem uporabljajo pri delu

in poskusih, v podrobnosti fizikalnih in kemijskih lastnosti se ne spuščajo. V učbeniku

Tehnika in tehnologija 7 (Fošnarič) je poudarjeno, da se bodo o kemijskih učinkih

električnega toka učili pri kemiji in fiziki.

V učbeniških kompletih za fiziko so baterije obravnavane iz stališča fizike, kemijskih

značilnosti večinoma ne obravnavajo. V vseh učbenikih je omenjen Galvani, v treh tudi

Volta. Učbeniki in delovni zvezki vsebujejo veliko eksperimentov, kjer uporabljajo

predvsem 4,5 V baterijo.

V učbeniških kompletih za kemijo, razen v treh (Kornhauser, Cvirn Pavlin, Smrdu), so

baterije slabo predstavljene, največkrat le kot pripomoček pri kemijskih poskusih

električne prevodnosti in elektrolize. Najbolj izčrpno jih prikazuje učbenik Pogled v

kemijo 8 (Kornhauser), kjer so obravnavane teoretično in eksperimentalno v svoji temi

Elektrokemijske celice in baterije. Peti element 8 (Cvirn Pavlin) predvideva baterije kot

nadgradnjo znanja v delovnem zvezku.


- 61 -

3.2 PREDLOG UMESTITVE TEME V UČNI NAČRT KEMIJE

Posodobljeni učni načrt za kemijo [49] samostojne teme o baterijah, kljub aktualnosti, ne

predvideva. Še najbolj se tema pribliţa operativnim ciljem in vsebinam v vsebinskem sklopu

Kemijske reakcije, zato bi bilo smotrno, da temo o baterijah uvrstimo v ta sklop.

PREDLAGANI OPERATIVNI CILJI IN VSEBINE

Učenci:

razumejo pomen zgodovine razvoja baterij v povezavi z razvojem človeške druţbe,

vedo, da so galvanski členi sestavljeni iz dveh elektrod in elektrolita,

vedo, da se v galvanskem členu kemijsko vezana energija pretvarja v električno,

izdelajo enostavno baterijo,

razlikujejo med primarnimi in sekundarnimi baterijami, jih naštejejo in opišejo,

razumejo pomen varnega odlaganja baterij in recikliranja,

poznajo posledice malomarnega ravnanja z baterijami,

poznajo načine vzdrţevanja baterij.

STANDARDI ZNANJA

Učenec:

prepozna pomen baterij za razvoj človeške druţbe,

prepozna dele galvanskega člena in določi pozitivni in negativni del,

razlikuje primarne in sekundarne baterije, jih našteje in opiše,

razume, da sta praznjenje in polnjenje baterij nasprotna procesa,

uporablja navodila o varnem odlaganju baterij.

MINIMALNI STANDARD ZNANJA

Učenec:

prepozna pomen baterij za razvoj človeške druţbe,

prepozna dele galvanskega člena,

razlikuje primarne in sekundarne baterije,

razume, da sta praznjenje in polnjenje baterij nasprotna procesa,

uporablja navodila o varnem odlaganju baterij.


- 62 -

3.3 PRIPRAVA UČNE ENOTE

3.3.1 UČITELJEVA PRIPRAVA

Predmet: Kemija Razred: 8

Vsebinski sklop: Kemijske reakcije Število ur: 2

Učna enota: BATERIJE Datum izvedbe:

Operativni učni cilji:

razumejo pomen zgodovine razvoja baterij v povezavi z razvojem človeške druţbe,

spoznajo vlogo kemije v sodobnih tehnologijah,

vedo, da je elektron osnovni delec, ki nosi električni naboj,

vedo, da so galvanski členi sestavljeni iz dveh elektrod in elektrolita,

vedo, da so elektroliti raztopine kislin, baz, soli in taline soli,

vedo, da se v galvanskem členu kemijsko vezana energija pretvarja v električno,

vedo, da kemijsko reakcijo spremlja sprememba energije in da se pri kemijski reakciji

energija lahko sprošča v okolico ali veţe iz okolice,

opredelijo reaktante in produkte kemijske reakcije,

razlikujejo med primarnimi in sekundarnimi baterijami, jih naštejejo in opišejo,

na osnovi opazovanja predstavijo kemijsko reakcijo z besedami in simbolnim zapisom,

se učijo opazovati eksperimente,

se urijo v izvajanju eksperimentov,

znajo predstaviti meritve in interpretirati rezultate,

razumejo pomen varnega odlaganja baterij in recikliranja,

poznajo posledice malomarnega ravnanja z baterijami,

poznajo načine vzdrţevanja baterij.

Dejavnosti učencev:

spoznavajo zgodovino razvoja baterij,

spoznajo baterijo kot vir električne napetosti,

opišejo galvanski člen,

spoznavajo različne primarne in sekundarne baterije, jih prepoznajo in naštejejo,

v paru ali skupini izdelajo lastno baterijo in jo preizkusijo,

pripravijo razstavo galvanskih členov in plakat na temo baterij,

iščejo informacije v literaturi ali na medmreţju.

Učne oblike: frontalna, delo v dvojicah, delo v skupinah.

Učne metode: pogovor, razlaga, skupinska diskusija, demonstracija, eksperimentalno delo,

delo z učnimi viri, opazovanje.

Medpredmetna povezava: fizika, tehnika in tehnologija, naravoslovje, biologija, zgodovina,

matematika, prva pomoč.


- 63 -

Literatura:

Štirn, S. (2016). Baterije – e-učna enota. Diplomsko delo, Ljubljana: Univerza v Ljubljani,

Pedagoška fakulteta.

Baterije – e-učna enota. Pridobljeno 31. 8. 2016 s spletne strani

http://www.nauk.si/materials/6893/out/index.html#state=1.

Lemon battery. Pridobljeno 15. 6. 2016 s spletne strani

https://en.wikibooks.org/wiki/School_Science/Lemon_Battery.

Making a Lemon Battery and How Does it Work? Pridobljeno 15. 6. 2016 s spletne strani

http://www.techagekids.com/2013/07/making-lemon-battery-and-how-does-it.html.

How to Make Batteries From Spare Change. Pridobljeno 15. 6. 2016 s spletne strani

http://www.instructables.com/id/How-to-Turn-Spare-Pocket-Change-into-DIY-

Batteries/?ALLSTEPS.

Ali bi lahko morsko vodo uporabljali kot vir energije? Pridobljeno 15. 6. 2016 s spletne

strani http://www2.pef.uni-

lj.si/kemija/profiles/moduli/studenti_2016/Ali_bi_lahko_morsko_vodo_uporabili_kot_vir_

energije_Mocilar.pdf.

Energy saltwater. Pridobljeno 15. 6. 2016 s spletne strani

https://www.youtube.com/watch?v=VMdS65_E_X4.

Kemija laboratorijske vaje, navodila za kandidate za splošno maturo leta 2007. Pridobljeno

15. 6. 2016 s spletne strani

http://www.dijaski.net/gradivo/kem_mat_laboratorijske_vaje_navodila_za_kandidate_200

7_2008_in_2009_01?r=1.

Galvanic Cells (Voltaic Cells). Pridobljeno 12. 4. 2016 s spletne strani

http://www.youtube.com/watch?v=7b34XYgADlM.

Učila, učni pripomočki:

računalnik, projektor ali elektronska tabla,

e-učna enota, pridobljeno 31. 8. 2016 s spletne strani

http://www.nauk.si/materials/6893/out/index.html#state=1.

slikovni material za pripravo plakata, šeleshamer, flomastri, barvice, lepilo,

učni listi za podporo eksperimentom,

zaščitna halja, očala in rokavice,

izrabljeni galvanski členi iz šolske zbirke,

iztekla baterija (suhi člen ali alkalna),

potrebščine in reagenti pri izvedbi eksperimentov:

1. ura: cinkova in bakrena ploščica, ZnSO4, CuSO2, destilirana voda, elektrolitski ključ z

nasičeno raztopino kalijevega klorida, 2 čaši (100 ml), 2 stekleni palčici, brusni papir,

vata, voltmeter, pladenj za potrebščine.

2. ura: količinsko pripraviti potrebščine glede na število učencev v razredu oz.

razpoloţljivih pripomočkov, rezervne kovance, sadje in pločevinke, katere je dobro

zbrusiti ţe pred začetkom ure. LED ţarnic pripravimo toliko, kolikor je učencev.

http://www.nauk.si/materials/6893/out/index.html#state=1

https://en.wikibooks.org/wiki/School_Science/Lemon_Battery

http://www.techagekids.com/2013/07/making-lemon-battery-and-how-does-it.html

http://www.instructables.com/id/How-to-Turn-Spare-Pocket-Change-into-DIY-Batteries/?ALLSTEPS


http://www2.pef.uni-lj.si/kemija/profiles/moduli/studenti_2016/Ali_bi_lahko_morsko_vodo_uporabili_kot_vir_energije_Mocilar.pdf



https://www.youtube.com/watch?v=VMdS65_E_X4

http://www.dijaski.net/gradivo/kem_mat_laboratorijske_vaje_navodila_za_kandidate_2007_2008_in_2009_01?r=1


http://www.youtube.com/watch?v=7b34XYgADlM



- 64 -

Voltov stolp Eko baterija Energija slane vode

- 5 kovancev za 5 centov,


- 10 pocinkanih podloţk v

velikosti kovancev,

- karton ali lepenka,

- škarje,

- beli kis,

- kuhinjska sol,

- 2 čaši (50 mL),

- izolirni trak,

- papirnata brisača,

- 2 rdeči ali zeleni LED ţarnici,

zvočni modul,

- 2 vodnika s krokodilsko sponko

- košček aluminijeve folije,

- voltmeter,

- 4 elastike,

- pladenj za potrebščine.

- 5 limon (krompirjev,

jabolk, paradiţnikov,

ali sadje oz. zelenjava

po lastni izbiri),

- 6 vodnikov s

krokodilskimi

sponkami,

- 5 pocinkanih ţebljev

ali cinkovih ploščic,

- 5 bakrenih ţebljev ali

bakrenih ploščic,

- LED ţarnica, zvočni

modul,

- voltmeter,

- papirnate brisače,


- bakrena plošča debeline

0,4 mm

- polna aluminijasta

pločevinka,

- brusni papir,

- 3 gumijaste elastike,

- 2 čaši (1 L),

- morska sol,

- voda,

- ţlica,

- vodniki s krokodilskimi

sponkami,

- nizkonapetostni

motorček z ventilatorjem

(optimalno od pogona

CD roma)

- voltmeter,


Predznanje:

elektron, oznaka za elektron,

atom, ion, kation, anion in označevanje ionov,

elektroliti, neelektroliti,

električni prevodniki in izolatorji,

kemijska reakcija, oksidacija, redukcija,

izpodrivanje kovin,

enostaven električni krog z baterijo, ţarnico in vodnikoma,

zaporedna vezava,

endotermna in eksotermna reakcija,

zapisovanje kemijskih reakcij na simbolni ravni,

vodna raztopina,

talina soli.

Novi pojmi:

elektroda, anoda, katoda,

galvanski člen,

primarne in sekundarne baterije,

suhi člen, alkalna baterija, litij-ionska baterija.

Domače delo učencev:

Učence po koncu prve ure prosimo, da prinesejo od doma v paru s sošolcem po pet kosov

limon, jabolk, krompirja oz. sadje ali zelenjavo po lastni izbiri; 5 kovancev za 5 centov in

5 kovancev za 10 centov. Iz lepenke ali kartona izreţejo kroge v velikosti kovancev.

Opozorim, naj bodo pri velikosti krogov natančni.


- 65 -

Od doma prinesejo različne iztrošene baterije za razstavo.

Doma dokončajo učne liste in odgovorijo na vprašanja, ki so del e-učne enote, dostopna

na: http://www.nauk.si/materials/6897/out/index.html#state=1. Pomagajo si s prosto

dostopno učno enoto, po kateri smo izvedli učno enoto, dostopno na:


IZVEDBA UČNE ENOTE

1. URA

Uvodna motivacija z različnimi aparati, ki za svoje delovanje potrebujejo baterije ter

različnimi tipi baterij iz šolske zbirke, napoved učne teme (5 min).

Učencem pokaţemo različne aparate, ki za delovanje potrebujejo baterije. Pomagamo si lahko

s slikovnim materialom na 1. prosojnici e-učne enote. Z vodeno diskusijo sami ugotovijo

temo učne ure. Učence seznanimo s pomenom baterij za našo civilizacijo in jim na kratko

predstavimo, kaj se bodo v prihodnjih dveh urah naučili.

Zgodovina baterij, galvanski člen, demonstracija delovanja galvanskega člena (20 min).

S pomočjo e-učne enote predstavimo zgodovino razvoja baterij ter zgradbo in delovanje

galvanskega člena.

Določimo enega učenca, ki razdeli delovne liste za eksperiment Galvanski člen.

Učenci opazujejo demonstracijo in sproti vpisujejo rezultate eksperimenta. Ob eksperimentu

še enkrat ponovimo delovanje galvanskega člena. Učenci na vprašanja odgovorijo doma.

Sestavljeno aparaturo shranimo do naslednje ure, ko si učenci ogledajo elektrodi in barvo

elektrolita.

Značilnosti baterij, oblika, delitev baterij na primarne in sekundarne (15 min).

S pomočjo e-učne enote predstavimo osnovne značilnosti baterij. Ob slikovnem materialu iz

e-učne enote uporabimo še baterije iz šolske zbirke. Predstavimo delitev baterij na primarne

in sekundarne.

S pomočjo e-učne enote predstavimo delitev baterij na primarne in sekundarne ter

predstavimo primere različnih baterij. Več časa posvetimo litij-ionskim baterijam in njihovem

pravilnem vzdrţevanju.

Napoved teme za naslednjo uro, domača naloga (5 min).

Učence ob koncu ure prosimo, da prinesejo od doma v paru s sošolcem po pet kosov limon,

jabolk, krompirja oz. sadje ali zelenjavo po lastni izbiri; 5 kovancev za 5 centov in 5

kovancev za 10 centov. Iz lepenke ali kartona izreţejo kroge v velikosti kovancev.

Opozorim, naj bodo pri velikosti krogov natančni.

Od doma prinesejo različne iztrošene baterije za razstavo.




- 66 -

2. URA

Uvodna motivacija in napoved dela pri uri (5 min).

Preverimo rezultate eksperimenta Galvanski člen. Učenci vpišejo svoja opaţanja v delovni

list.

Eksperimentalno delo v parih ali skupinah, priprava razredne razstave in plakata o

baterijah (30 min).

V razredu naredimo 4 postaje in učence razdelimo na štiri skupine. 3 skupine izvajajo

eksperimente, ena skupina pa pripravlja plakat in razstavo. Skupine se na postaji zamenjajo

pribliţno vsakih 7 minut.

Na prvi postaji pripravimo za eksperiment Voltov stolp, na drugi postaji za Eko baterijo, na

tretji postaji pa za eksperiment Energija slane vode, četrta postaja je namenjena skupinski

izdelavi plakata na temo baterij.

Učenci s pomočjo delovnih listov izvedejo eksperimente in zapišejo rezultate meritev in svo ja

opaţanja. Na vprašanja odgovorijo doma.

Plakat sestavijo s pomočjo pripravljenega različnega slikovnega materiala in kratkega

povzetka naučenega. Učencev ne vodimo z navodili o vsebini plakata, učitelj le preveri

pravilnost zapisanega. Vsaka skupina doda plakatu svoj del o baterijah, ki se jim je zdel

zanimiv. Tako dobimo skupen izdelek.

Varna uporaba baterij in ekologija (5 min).

Učence seznanimo z nevarnostmi pri napačni uporabi baterij. Pokaţemo izteklo baterijo, ki jo

zaradi varnosti poloţimo v čašo in učencem naročimo, naj se je ne dotikajo.

Razvoj novih baterij in prihodnost (5 min).

Učno uro zaključimo s pogovorom o razvoju baterij in vsestransko uporabo baterij v

prihodnosti. Učencem namenimo prostor v razredu, kjer bodo shranili baterije iz

eksperimenta Voltov stolp do naslednje učne ure.


- 67 -

3.3.2 EKSPERIMENTALNI DEL

Učna enota vsebuje predlog za 4 eksperimente. Galvanski člen je predviden kot učiteljeva

demonstracija. Voltov stolp, Eko baterija ter Energija iz slane vode pa so namenjeni učencem

za delo v skupinah. Baterijo z LED ţarnico v Voltovem stebru naj naredi vsak učenec.

Vsak eksperiment je v celoti predstavljen na delovnem listu za učence v prilogi št. 2.

Eksperimenti za učence so varni, pripravimo jih iz snovi in predmetov iz vsakdanjega

ţivljenja. Kljub temu pa naj se učenci zaščitijo in vadijo varno delo v kemijskem laboratoriju.

Ob opisu eksperimentov so podani podčrtani rezultati in odgovori na vprašanja.

Delovni list za učenca je sestavljen iz osmih delov:

uvod s teoretično podlago,

naloga s kratkim opisom,

navodila za zaščito in varno delo,

oblika izvedbe eksperimenta,

potrebščine,

natančen potek dela,

rezultati in

dodatna vprašanja.

GALVANSKI ČLEN

Eksperiment pripravi učitelj. Učenci opazujejo in zapišejo rezultate ter opaţanja na učni list.

Potek dela in rezultati:

Priprava pred poukom: očistimo cinkovo in bakreno ploščico z brusnim papirjem, pripravimo

elektrolitski ključ z nasičeno raztopino KCl in konca cevke zapolnimo z vato. V vsako 100

mL čašo natehtamo po 16 g ZnSO4 in CuSO4, v puhalko natočimo destilirano vodo.

Vse potrebne pripomočke zloţimo na pladenj.

Potek eksperimenta: učencem pokaţemo cinkov in bakrov sulfat, primerjamo barvo,

ogledamo si varnostna opozorila na embalaţi [56].

Shema 19: Znaki za nevarnost snovi.

Čaši označimo (Zn (-) in Cu (+)) ter dopolnimo z destilirano vodo do označbe 100 ml. S

stekleno palčico premešamo raztopino, da se vsi delci raztopijo. V čašo s cinkovim sulfatom

postavimo cinkovo ploščico, v čašo z bakrovim sulfatom pa bakreno ploščico. Vodnika


- 68 -

poveţemo voltmetrom in zvočnim modulom. Izmerimo napetost ter preverimo delovanje

zvočnega modula. Učenci si zapišejo vrednost napetosti = 0 V. Zvočni modul ne deluje.

Oba polčlena poveţemo z elektrolitskim mostom. Učenci opazujejo voltmeter in zapišejo

napetost = 1,1 V. Priključimo zvočni modul, ki deluje z rahlo popačenim zvokom, saj za svoje

delovanje potrebuje napetost 1,5 V.

Ponovimo delovanje galvanskega člena z razlago ob prikazanem eksperimentu.

Učenci si ob koncu ure in naslednjo uro ogledajo stanje elektrod in elektrolita ter opaţanja

zapišejo na delovni list. Opazijo, da je cinkova elektroda spremenila barvo iz kovinsko sive v

temno, izgubila je kovinski lesk. Stanjšanja elektrode se pri večji in debelejši ploščici ne

opazi. Če imate precizno tehtnico, lahko stehtate elektrodo pred in po eksperimentu in tako

dokaţete raztapljanje cinka. Na bakrovi elektrodi opazimo nanose bakra. Če imate precizno

tehtnico, lahko stehtate elektrodo pred in po eksperimentu in tako dokaţete nalaganje bakra.

Raztopina bakrovega sulfata rahlo obledi, ob straneh čaše se pojavijo kristali bakrovega

sulfata, ki so nastali zaradi izhlapevanja vode in kristalizacije. Opazen je tudi padec napetosti.

Slika 13: Bakrov sulfid, bakrova ploščica, cinkov sulfid in cinkova ploščica.

Napetost pred in po vstavitvi elektrolitskega ključa.

Slika 14: Stanje elektrod in elektrolita ter napetost člena 3. dan eksperimenta.

Odgovori na vprašanja:

Zakaj potrebujemo pri eksperimentu elektrolitski ključ? Z elektrolitskim ključem

poveţemo oba polčlena in omogočimo izmenjavo ionov med njima. Galvanski člen brez

te povezave ne deluje.

Kje je negativni in kje pozitivni del galvanskega člena? Pozitivni del ali katodo

predstavlja bakrova ploščica, negativnega oz. anodo pa cinkova ploščica.

Kako imenujemo reakcijo sprejemanja elektronov in reakcijo oddajanja elektronov?

Reakcijo sprejemanja elektronov imenujemo redukcija, reakcijo oddajanja elektronov pa

oksidacija.


- 69 -

VOLTOV STOLP

Učenci s pomočjo učnega lista izvedejo eksperiment. Najprej v skupini merijo napetost

zaporedno vezanih členov, nato naredi vsak svojo baterijo.

Poučimo jih o pravilni rabi voltmetra.

Evropski predpisi ne vsebujejo omejitev pri uporabi evrskih kovancev, ki so v osebni posesti.

Z njimi lahko prosto razpolagamo. Ker pa se bodo kovanci ob izvedbi eksperimenta

spremenili, centralne banke takih, namerno spremenjenih kovancev, v skladu z drugim

odstavkom 8. člena Uredbe (EU) 1210/2010 o preverjanju pristnosti evrskih kovancev in

ravnanju z evrskimi kovanci, neprimernimi za obtok, niso dolţne zamenjati [57].

Učence opozorimo, da kovancev ne bodo smeli več uporabljati kot plačilno sredstvo.

Potek dela:

Priprava pred poukom: pripravimo rezervne kovance in izrezane kroge iz lepenke ali kartona

v velikosti kovancev (če jih učenci ne bi prinesli, da bo delo potekalo hitreje), pocinkane

podloţke, zadostno količino rdečih ali zelenih LED ţarnic, beli kis, kuhinjsko sol.

Vse potrebne pripomočke zloţimo na pladenj.

Potek eksperimenta: učenci naredijo v skupini en eksperiment merjenja napetosti s kovancem

za 5 centov in enega s kovancem za 10 centov.

Kovance očistijo z raztopino kisa in kuhinjske soli. Kroge iz kartona ali lepenke pomočijo za

nekaj minut v kis. Odvečno tekočino popivnajo s papirnato brisačo.

Na delovno površino poloţijo zloţen košček aluminijeve folije, nanjo najprej pocinkano

podloţko, nato s kisom omočen karton, nazadnje še kovanec. S pomočjo voltmetra izmerijo

napetost vsakemu dodanemu členu. Ob vsakem na novo dodanem členu preizkusijo tudi

delovanje LED ţarnice in zvočnega modula. Učence opozorimo na pravilno povezovanje

LED ţarnice s poloma baterije.

Led ţarnica zasveti pri 2. členu, ob vsakem naslednjem členu sveti močneje. Zvočni modul

zaslišimo s popačenim zvokom ţe pri prvem členu, z vsakim naslednjim je glasba razločnejša.

Slika 15: Pripomočki, napetost enega in petih členov.

Vsak učenec nato sestavi svojo baterijo iz treh členov, jo opremi z LED ţarnico in zatesni z

izolirnim trakom, da prepreči izhlapevanje kisa. Za boljši stik med elektrodami lahko baterijo

še poveţejo z elastiko. Baterijo z LED ţarnico lahko odnesejo s sabo domov, da jo opazujejo.

Ţarnica sveti najmanj en dan, odvisno od količine elektrolita in zatesnjenosti, z baterijo iz 10

centov sveti nekoliko dlje, ker imajo ti kovanci višjo vsebnost bakra.

Kovanci po končanem eksperimentu močno spremenijo videz. Cink na pocinkani podloţki se

raztopi, razkrije se jeklena sredica. Bakreni kovanci na strani, ki se dotika kartona, razkrijejo


- 70 -

jekleno sredico, na strani, ki se je dotikala cinkove podloţke, postanejo svetleči, zaradi kisa

lahko nastane zeleni volk. Učence opozorimo na strupenost zelenega volka. Kovanci za 10

centov izgubijo zlat lesk in postanejo bakrene barve.

Slika 16: Sestavljena baterija z LED ţarnico, izgled izrabljenih kovancev.


Na spletu poišči stran z informacijami o evrskih kovancih. Zapiši, iz katerih snovi so

sestavljeni kovanci za 5 in 10 centov.

Bakreni kovanci za 1, 2 in 5 centov, so sestavljeni in jeklene sredice, prevlečene z

bakrom. Kovanci za 10, 20 in 50 centov so iz nordijskega zlata [36]. Nordijsko zlato

vsebuje 89 % bakra, 5 % aluminija, 5 % cinka in 1 % kositra [47].

Razmisli, kaj bi moral storiti, da bi po končanem opazovanju LED ţarnica znova

zasvetila. Ţarnica znova zasveti, če baterijo odpremo in ponovno namočimo karton v kis.

Bi lahko ta postopek ponavljal v neskončnost? Zakaj? Ne, saj se elektrode iztrošijo,

elektrolit se posuši. Baterija iz cinka in bakra je primarna, torej neobnovljiva.

EKO BATERIJA

Učenci v skupini s pomočjo učnega lista izvedejo eksperiment. Delovni list je pripravljen za

baterijo iz limone in bakrenih ter pocinkanih ţebljev, lahko pa vsaka skupina izvede

eksperiment z drugim sadjem oz. zelenjavo: krompir, jabolka, paradiţnik, kumare, oz.

uporabite sadje ali zelenjavo po ţelji učencev. Lahko ponudite tudi več različnih elektrod, npr.

ţelezo, medenina, aluminij, nerjaveča pločevina, učenci pa z meritvami preverjajo, katera

kombinacija elektrod da najvišjo napetost.

Elektrode morajo biti dovolj velike, da pridobimo zadostno površino za kemijsko reakcijo in s

tem ustrezno visok električni tok. Če vzamemo 2 cm pocinkane in bakrene ţeblje, ima

limonina baterija prešibak električni tok, da bi zvočni modul razločno igral, prav tako je zelo

šibka svetloba LED ţarnice. Bolj smotrno je uporabiti bakrene ploščice in pocinkane vijake,

saj imajo ti zaradi navoja večjo površino.


Priprava pred poukom: pripravimo si 5 limon za rezervo, bakrene ploščice in pocinkane

vijake. Vse potrebne pripomočke zloţimo na pladenj.

Potek eksperimenta: učenci očistijo elektrode. Povaljajo limono med dlanjo in podlago, da

sprostijo sokove. Na razdalji treh centimetrov pribliţno enako globoko zapičijo po eno

cinkovo in eno bakrovo elektrodo. Biti morata dovolj skupaj, vendar se v limoni ne smeta

dotikati. Poveţejo elektrode z voltmetrom in odčitajo napetost. Na enak način pripravijo še


- 71 -

štiri člene in jih zaporedno poveţejo med sabo. S preizkušanjem ugotovijo, koliko limon je

potrebno, da zasveti LED ţarnica in zaigra zvočni modul.

Izmerjena napetost enega člena je med 0,90 V in 1,00 V in lahko odstopa zaradi uporabljenih

materialov, občutljivosti voltmetra, sočnosti sadeţa. Učenci z grafom prikaţejo linearno

naraščanje napetosti ob dodajanju členov.

Zvočni modul igra ţe pri prvem členu, le da je melodija popačena, pri dveh členih je melodija

razločna, pri treh pa ţe zelo glasna.

LED ţarnica zasije z medlo svetlobo pri dveh členih, pri treh pa z močno.

Slika 17: Napetost enega člena pri limoni. LED ţarnica dobro sveti ţe pri tretjem členu, vidi se padec napetosti zaradi

bremena. Napetost petih členov.

Slika 18: Različne vrednosti napetosti pri čebuli, krompirju, mandarini in paradiţniku.


Kakšno vlogo ima v bateriji limona? Limona ima v bateriji vlogo elektrolita.

Bi lahko s takšno baterijo napolnil mobilni telefon? Razloţi. Ne, takšna eko baterija ne

ustvari zadosti električnega toka, da bi lahko z njo polnili mobilni telefon.

ENERGIJA SLANE VODE

Učenci v skupini s pomočjo učnega lista izvedejo eksperiment.

Elektromotorček, ki je uporabljen pri tem eksperimentu, je bil vzet iz stare CD-rom enote.

Elektromotorčki iz raznih igrač niso primerni, saj za delovanje potrebujejo višje vrednosti

električnega toka, četudi bi potrebno napetost dosegli.

Lahko uporabite tudi prazno pločevinko, le da jo napolnite z vodo, da stabilno stoji.


Priprava pred poukom: pripravimo si bakrovo ploščo z nekoliko večjo površino, kot je

površina pločevinke. Če imamo debelejšo ploščo, jo zvijemo sami, drugače lahko to storijo

učenci. Vse potrebne pripomočke zloţimo na pladenj.


- 72 -

Potek eksperimenta: učenci z brusnim papirjem očistijo bakreno ploščo in aluminijasto

pločevinko, da na njej ne bo več vidnega napisa. Bakreno ploščo zvijejo v valj, ki je nekoliko

širši od pločevinke. Na pločevinko pri vrhu, dnu in v sredini namestijo gumijaste elastike. V

čašo vlijejo vodo in v njej raztopijo 2 do 3 jedilne ţlice soli. Pločevinko spustijo v bakren

valj, ju postavijo v čašo in nalijejo toliko vode, da bo segala pribliţno en centimeter do vrha

pločevinke. Izmerijo napetost ter priključijo motorček z ventilatorjem in preizkusijo njegovo

delovanje. Opazujejo, koliko časa bo ventilator deloval.

Napetost člena je 0,54 V. ventilator brez teţav deluje celo šolsko uro, le malo je potrebno

premešati elektrolit in se zopet zavrti.

Slika 19: Pripomočki in vrtenje elektromotorčka.


Na spletu poišči podatek, koliko soli vsebuje morska voda. Je morje povsod enako slano?

Morska voda vsebuje 4 % različnih soli, največ je natrijevega klorida NaCl.

Koncentracija soli je najniţja v bliţini tečajev in najvišja okoli ekvatorja. Sredozemsko

morje ima koncentracijo soli okoli 3,8 %, mrtvo morje pa kar 30 % [50].

Kakšno nalogo opravlja v eksperimentu sol? Raztopina soli v vodi je elektrolit.

Zakaj si pri eksperimentu uporabil gumijasto elastiko? Gumijasta elastika preprečuje

direkten stik med elektrodama.

Kaj bi moral storiti, da bi po končanem eksperimentu ventilator zopet deloval? Zamenjati

elektrolit, očistiti elektrode.


- 73 -

3.3.3 E-UČNA ENOTA

Učno enoto smo postavili na portalu NAUK – Napredne učne kocke, ki je prosto dostopen na

naslovu http://www.nauk.si. Za izdelavo učne enote je potrebno nekaj predznanja HTML

jezika, sintaksa za urejanje pa je relativno enostavna in podobna sintaksi, ki jo uporabljajo

okolja wiki. Sama oblika učnih enot na portalu NAUK je enostavna in prijazna do

uporabnika. Lahko pripravimo različne učne enote – teoretične, naloge, preverjanje znanja ali

kombinacijo naštetega. Učitelj lahko povsem enostavno prilagodi vsebino učne enote s

kopiranjem skripte iz ţe pripravljenih učnih enot [15]. Portal NAUK je prilagojen tudi za

format mobilnih telefonov in tablic, kar širi moţnost uporabe učnih enot.

Učna enota: http://www.nauk.si/materials/6893/out/index.html#state=1

Naloge za utrjevanje: http://www.nauk.si/materials/6897/out/index.html#state=1

Galvanski člen: http://www.nauk.si/materials/6908/out/index.html#state=1

Voltov stolp: http://www.nauk.si/materials/6904/out/index.html#state=1

Eko baterija: http://www.nauk.si/materials/6907/out/index.html#state=1

Energija slane vode: http://www.nauk.si/materials/6909/out/index.html#state=1

V diplomskem delu bomo predstavili zaslonske slike učne enote in nalog za utrjevanje.

http://www.nauk.si/








- 74 -


- 75 -


- 76 -


- 77 -


- 78 -


- 79 -


- 80 -


- 81 -


- 82 -


- 83 -


- 84 -


- 85 -

4 SKLEP

V diplomskem delu smo dosegli vse prvotno zastavljene cilje.

Teoretični del smo predstavili kot obseţen pripomoček za učitelje. Po analizi učnega načrta in

učbeniških kompletov, smo pripravili predlog za umestitev teme o baterijah v učni načrt in

izdelali učno enoto z enostavnimi eksperimenti za učence ter vizualizacijo litij-ionske baterije.

Z analizo učnih načrtov in učbeniških kompletov smo lahko odgovorili tudi na zastavljena

raziskovalna vprašanja oz. hipoteze.

Ali se učenci v osnovni šoli dovolj dobro poučijo o baterijah, njihovi sestavi, načinu

delovanja, varnem rokovanju, vzdrževanju, nevarnostih ob napačni uporabi ter

pravilnem odlaganju odsluženih baterij?

Učni načrt za naravoslovje, tehniko in tehnologijo, fiziko in kemijo teh tem ne opisuje

podrobno. Veliko je odvisno od učiteljev, njihove interpretacije učnega načrta ter

prepoznavanja pomena omenjenih tem v vsakdanjem ţivljenju. Nekaj lahko pripomorejo tudi

učbeniški kompleti, kjer si lahko učenci preberejo vsebine, ki jih pri pouku niso obravnavali.

Vendar pa so baterije, glede na aktualnost teme, premalo obravnavana tema.

Ali se učenci v osnovni šoli naučijo izdelati enostavno baterijo iz pripomočkov, ki jih

najdejo v vsakdanjem življenju?

V 21 učbeniških kompletih, ki smo jih analizirali, izdelavo baterije predlagata le dva, Pogledi

v kemijo 8 in Moja prva fizika 2.

Ti eksperimenti so zelo zanimivi, zato bi jih bilo dobro izvajati.

Ali znajo učenci pri pouku kemije uporabiti baterije pri eksperimentih?

Učenci baterije kot pripomoček pri eksperimentih uporabijo ţe v 4. razredu pri predmetu

naravoslovje in tehnika. Takrat sestavijo enostaven električni krog z ţarnico in ploščato

baterijo. Ta eksperiment se ponavlja tudi pri naravoslovju, tehniki in tehnologiji ter fiziki.

Veliko eksperimentov z baterijo kot pripomočkom izvajajo pri tehniki in tehnologiji ter fiziki.

Učenci se tekom osnovne šole pri naravoslovnih in tehničnih predmetih naučijo uporabljati

baterije v eksperimentalne namene.


- 86 -

5 LITERATURA

[1] Armand, M. in Tarascon, J.-M. (2008). Building better batteries. Nature 451(7), 652–

657.

[2] Atkins, P. W., Frazer, M. J., Clugston, M. J. in Jones, R.A.Y. (1995). Kemija: zakonitosti

in uporaba. Ljubljana: TZS.

[3] Buchmann, I. (2001). Batteries in a Portable World: A Handbook on Rechargeable

Batteries for Non-Engineers (Second edition). Cadex Electronics. Pridobljeno 12. 4. 2016

s spletne strani http://batteryuniversity.com/learn/.

[4] Cheng, F., Liang, J., Tao, Z. in Chen, J. (2011). Functional Materials for Rechargeable

Batteries. Advanced Materials, 23, 1695–1715.

[5] Degenek, M. (2010). Zbiranje in ravnanje z odpadnimi baterijami. Diplomsko delo,

Ljubljana: Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo. Pridobljeno 12.

4. 2016 s spletne strani http://drugg.fgg.uni-lj.si/233/1/VKI_0140_Degenek.pdf.

[6] Dominko, R. (2016). Smiselno je raziskovanje materialov, ki pri pridobivanju ne

zahtevajo veliko energije. GEA 26(2), 40−43.

[7] Dominko, R., in Škrlec, J. (2009). Nanomateriali v litijevih ionskih akumulatorjih. IRT

3000, 4(19), 34−35.

[8] Dunn, B., Kamath, H. in Tarascon, J.-M. (2011). Electrical Energy Storage for the Grid:

A Battery of Choices. Science, 334, 928–935.

[9] Genorio, B., Strmčnik, D., Subbaraman, R., Tripkovič, D., Karapetrov, G., Stamenkovič,

V.R., Pejovnik, S. in Marković, N. M. (2010). Selective catalysts for the hydrogen

oxidation and oxygen reduction reactions by pattering of platinum with calix[4]arene

molecules. Nature materials, 9, 998–1003.

[10] Huš, M. (2014). Litij, ki poganja mobilni svet. Monitor, 24(9), 18−22. Pridobljeno 12. 4.

2016 s spletne strani http://www.monitor.si/clanek/litij-ki-poganja-mobilni-svet/159566/.

[11] Jamnik, A. (2013). Fizikalna kemija (drugi zvezek). Ljubljana: Fakulteta za kemijo in

kemijsko tehnologijo.

[12] Kopač, D. (2009). Baterije. Seminarska naloga, Ljubljana: Univerza v Ljubljani,

Fakulteta za matematiko in fiziko, Oddelek za fiziko. Pridobljeno 12. 4. 2016 s spletne

strani http://www-f1.ijs.si/~ziherl/Baterije.pdf.

[13] Lazarini, F. in Brenčič, J. (1984). Splošna in anorganska kemija. Ljubljana: DZS.

[14] Linden, D. in Reddy, T. B. (2002). Handbook of Batteries (Third edition). New York:

McGraw-Hill.

[15] Mustar, T. (2011). Priprava učnih gradiv na portalu NAUK. Diplomsko delo, Ljubljana:

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za matematiko in fiziko.

[16] Osredkar, R. (2004). Baterije, počitniška elektrika. ŢIT, 55(7), 12−20.

[17] Peljhan, S. (2016). Baterije in akumulatorji. GEA, 26(2), 36−39.

[18] Rant, E. (2006a). Baterije (1. del). TIM 45(1), 39.

[19] Rant, E. (2006b). Baterije (2. del). TIM 45(2), 38−40.

[20] Smrdu, A. (2007). Kemija. Snov in spremembe 2: učbenik za kemijo v 2. letniku

gimnazije. Ljubljana: Jutro.

[21] Strnad, J. (2005/2006a). Galvanski členi in baterije. Presek, 33(4), 14−15, 18−19.

http://batteryuniversity.com/learn/

http://drugg.fgg.uni-lj.si/233/1/VKI_0140_Degenek.pdf

http://www.monitor.si/clanek/litij-ki-poganja-mobilni-svet/159566/

http://www-f1.ijs.si/~ziherl/Baterije.pdf


- 87 -

[22] Strnad, J. (2005/2006b). Akumulatorji. Presek, 33(5), 20−22.

[23] Strnad, J. (2015). Baterija in energija iz obnovljivih virov. Proteus 77(6), 255−258.

[24] Schröter, W., Lautenschläger, K. -H., Bibrack, H., Schnabel, A. (1993). Kemija splošni

priročnik. Ljubljana: TZS.

[25] Šebenik, M. (1994). Elektrokemija v osnovnošolskih in srednješolskih programih kemije

in fizike. Diplomsko delo, Ljubljana: Univerza v Ljubljani, Pedagoška fakulteta.

[26] Tarascon, J.-M. in Armand, M. (2001). Issues and challenges facing rechargeable

lithium batteries. Nature 414, 359−367.

[27] Voršič, J. in Orgulan, A. (1996). Pretvarjanje v električno energijo. Maribor: Fakulteta za

elektrotehniko, računalništvo in informatiko. Pridobljeno 12. 4. 2016 s spletne strani

http://www.powerlab.uni-

mb.si/Slo/download/Literatura/Pretvarjanje_v_elektricno_energijo.pdf.

[28] Winter, M. in Brodd, R. J. (2004). What Are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors?

Chemical Reviews, 104(10), 4245−4270.

[29] Xu, K. (2004). Nonaqueous Liquid Electrolytes for Lithium-Based Rechargeable

Batteries. Chemical Reviews, 104(10), 4303–4417.

[30] Yang, Z., Zhang, J., Kintner-Meyer, M.C.W., Xiaochuan, L., Choi, D., Lemmon, J.P. in

Liu, J. (2011). Electrochemical Energy Storage for Green Grid. Chemical Reviews, 111,

3577–3613.

VIRI NA SPLETU

[31] Ali bi lahko morsko vodo uporabljali kot vir energije? Pridobljeno 15. 6. 2016 s spletne

strani http://www2.pef.uni-

lj.si/kemija/profiles/moduli/studenti_2016/Ali_bi_lahko_morsko_vodo_uporabili_kot_vir

_energije_Mocilar.pdf.

[32] DeWitt, T. (2015). Galvanic Cells (Voltaic Cells). Pridobljeno 12. 4. 2016 s spletne strani

http://www.youtube.com/watch?v=7b34XYgADlM.

[33] Ebatt.si. Pridobljeno 12. 4. 2016 s spletne strani http://ebatt.si/si/.

[34] Elektro črpalke: Slovenski iskalnik polnilnih mest za električna vozila. Pridobljeno 15. 6.

2016 s spletne strani http://www.elektro-crpalke.si/.

[35] Energy saltwater. Pridobljeno 15. 6. 2016 s spletne strani

https://www.youtube.com/watch?v=VMdS65_E_X4.

[36] Evropska centralna banka. Pridobljeno 28. 8. 2016 s spletne strani

https://www.ecb.europa.eu/euro/coins/common/html/index.sl.html.

[37] History of the battery. Pridobljeno 12. 4. 2016 s spletne strani

http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_battery.

[38] How to Make Batteries From Spare Change. Pridobljeno 15. 6. 2016 s spletne strani

http://www.instructables.com/id/How-to-Turn-Spare-Pocket-Change-into-DIY-

Batteries/?ALLSTEPS.

[39] Interseroh. Pridobljeno 12. 4. 2016 s spletne strani http://www.interseroh-slo.si/.

[40] Katalog učbenikov za osnovno šolo. Pridobljeno 12. 4. 2016 s spletne strani

https://soca1.mss.edus.si/Trubar/Javno/.

http://www.powerlab.uni-mb.si/Slo/download/Literatura/Pretvarjanje_v_elektricno_energijo.pdf

http://www.powerlab.uni-mb.si/Slo/download/Literatura/Pretvarjanje_v_elektricno_energijo.pdf




http://www.youtube.com/watch?v=7b34XYgADlM

http://ebatt.si/si/

http://www.elektro-crpalke.si/

https://www.youtube.com/watch?v=VMdS65_E_X4

https://www.ecb.europa.eu/euro/coins/common/html/index.sl.html

http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_battery



http://www.interseroh-slo.si/

https://soca1.mss.edus.si/Trubar/Javno/


- 88 -

[41] Kemija laboratorijske vaje, navodila za kandidate za splošno maturo leta 2007.

Pridobljeno 15. 4. 2016 s spletne strani

http://www.dijaski.net/gradivo/kem_mat_laboratorijske_vaje_navodila_za_kandidate_20

07_2008_in_2009_01?r=1.

[42] Lani v Evropi prodanih skoraj sto tisoč električnih avtov, trg vodi Renault. Pridobljeno

15. 6. 2016 s spletne strani

http://avto.finance.si/8840798?cctest&&cookietime=1466262069.

[43] Lemon battery. Pridobljeno 15. 6. 2016 s spletne strani

https://en.wikibooks.org/wiki/School_Science/Lemon_Battery.

[44] List of battery sizes. Pridobljeno 12. 4. 2016 s spletne strani

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_battery_sizes.

[45] Making a Lemon Battery and How Does it Work? Pridobljeno 20. 6. 2016 s spletne strani


[46] Matematika napajanja hiše iz baterij. Pridobljeno 15. 6. 2016 s spletne strani

http://www.monitor.si/novica/matematika-napajanja-hise-iz-baterij/166158/.

[47] Nordijsko zlato. Pridobljeno 29. 8. 2016 s spletne strani

https://hr.wikipedia.org/wiki/Nordijsko_zlato.

[48] Pravilno polnjenje baterije prenosnika ali telefona. Pridobljeno 12. 4. 2016 s spletne

strani http://www.zmaga.com/content.php?id=4382.

[49] Prenovljeni učni načrti. Pridobljeno 12. 4. 2016 s spletne strani

http://www.mizs.gov.si/si/delovna_podrocja/direktorat_za_predsolsko_vzgojo_in_osnov

no_solstvo/osnovno_solstvo/ucni_nacrti/.

[50] Sestava morske vode. Pridobljeno 20. 8. 2016 s spletne strani

http://www.dksol.si/zanimivosti/sestava-morske-vode.

[51] Smart City Maribor. Pridobljeno 15. 6. 2016 s spletne strani

http://www.smartcitymaribor.si/.

[52] SolarEdge Single Phase StorEdgeTM

Solutions for North America. Pridobljeno 15. 6.

2016 s spletne strani

http://www.solaredge.com/files/pdfs/products/StorEdge/se_storedge_inverter_datasheet_

na.pdf.

[53] Technology Roadmap: Smart Grids (2011). Pridobljeno 15. 6. 2016 s spletne strani

http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/technology-roadmap-smart-

grids.html.

[54] Tesla Energy. Pridobljeno 10. 6. 2016 s spletne strani

https://www.teslamotors.com/energy.

[55] These 9 battery companies will help you save tons of money on your energy bill.

Pridobljeno 15. 6. 2016 s spletne strani http://www.techinsider.io/companies-making-at-

home-batteries-2016-5.

[56] Uredba o izvozu in uvozu nevarnih kemikalij (2008). Uradni list EU, št. 689/2008.

Pridobljeno 31. 8. 2016 s spletne strani

http://publications.europa.eu/resource/cellar/6a5f7746-46a9-40ee-ab57-

2240bc7668d1.0019.03/DOC_1.

[57] Uredba o preverjanju pristnosti evrokovancev in ravnanju z evrokovanci, neprimernimi

za obtok (2010). Uradni list EU, št. 1210/2010. Pridobljeno 31. 8. 2019 s spletne strani



http://avto.finance.si/8840798?cctest&&cookietime=1466262069

https://en.wikibooks.org/wiki/School_Science/Lemon_Battery

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_battery_sizes


http://www.monitor.si/novica/matematika-napajanja-hise-iz-baterij/166158/

https://hr.wikipedia.org/wiki/Nordijsko_zlato

http://www.zmaga.com/content.php?id=4382

http://www.mizs.gov.si/si/delovna_podrocja/direktorat_za_predsolsko_vzgojo_in_osnovno_solstvo/osnovno_solstvo/ucni_nacrti/

http://www.mizs.gov.si/si/delovna_podrocja/direktorat_za_predsolsko_vzgojo_in_osnovno_solstvo/osnovno_solstvo/ucni_nacrti/

http://www.dksol.si/zanimivosti/sestava-morske-vode

http://www.smartcitymaribor.si/

http://www.solaredge.com/files/pdfs/products/StorEdge/se_storedge_inverter_datasheet_na.pdf

http://www.solaredge.com/files/pdfs/products/StorEdge/se_storedge_inverter_datasheet_na.pdf

http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/technology-roadmap-smart-grids.html

http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/technology-roadmap-smart-grids.html

https://www.teslamotors.com/energy

http://www.techinsider.io/companies-making-at-home-batteries-2016-5

http://www.techinsider.io/companies-making-at-home-batteries-2016-5

http://publications.europa.eu/resource/cellar/6a5f7746-46a9-40ee-ab57-2240bc7668d1.0019.03/DOC_1



- 89 -

http://eur-

lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2010:339:0001:0005:SL:PDF.

[58] Uredba o ravnanju z baterijami in akumulatorji ter odpadnimi baterijami in akumulatorji.

Uradni list RS, št. 3/10. Pridobljeno 12. 4. 2016 s spletne strani

http://www.pisrs.si/Pis.web/pregledPredpisa?id=URED5201#.

[59] Vse o akumulatorjih in baterijah. Pridobljeno 12. 4. 2016 s spletne strani

http://faq.akumulator.si/.

[60] Zeos. Pridobljeno 12. 4. 2016 s spletne strani http://www.zeos.si/.

SPLETNI VIRI SLIK, vsi citirani 31. 8. 2016

Slika 1: http://batteryuniversity.com/learn/article/when_was_the_battery_invented

Slika 2: http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_battery#/media/File:VoltaBattery.JPG

http://technick.net/guides/electronics/bpw/c01_01/

Slika 3: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/93/Trough_battery.jpg

Slika 4: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/67/NMAH-

Daniell_cell_batteries_1836.JPG

Shema 2: prirejeno po https://en.wikipedia.org/wiki/Daniell_cell

Graf 1: http://batteryuniversity.com/learn/article/primary_batteries

Slika 5: http://batteryuniversity.com/learn/archive/memory_myth_or_fact

Slika 6: http://ebatt.si/si/samsung/518-baterija-za-samsung-i8160-galaxy-ace-2-1700mah.html

http://ebatt.si/si/alkalne-industrijsko-pakiranje/1580-varta-aa-lr06-industrial-kos.html

http://ebatt.si/si/gumb-baterije/98-aku-pan-gumb-li-br2330-be.html

http://ebatt.si/24-thickbox_default/bat-pan-ind-alk-6lr61ab.jpg

Slika 7: https://en.wikipedia.org/wiki/Battery_(electricity)

Slika 8: http://ebatt.si/si/eneloop/1908-eneloop-aa-ni-mh-12v-2000-mah-tropical.html

Graf 7: http://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion

Slika 9: https://en.wikipedia.org/wiki/Alkaline_battery

Slika 10: http://www.phonedocinc.com/iphone-repair-news/2016/4/7/war-stories-fire-in-the-

hole

Slika 11: http://trigana.si/oznacevanje-in-omejitve-pri-prodaji-2/

Slika 12: http://ebm.si/zw/wp-content/uploads/2013/12/baterije.jpeg

www.interseroh-slo.si

Shema 16: http://investadelaide.com.au/why-adelaide/adelaide-smart-city/the-smart-city-

vision/

Shema 19: http://publications.europa.eu/resource/cellar/6a5f7746-46a9-40ee-ab57-

2240bc7668d1.0019.03/DOC_1

Priloga 2: https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_battery

prirejeno po https://en.wikipedia.org/wiki/Daniell_cell

http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2010:339:0001:0005:SL:PDF

http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2010:339:0001:0005:SL:PDF

http://www.pisrs.si/Pis.web/pregledPredpisa?id=URED5201

http://faq.akumulator.si/

http://www.zeos.si/

http://batteryuniversity.com/learn/article/when_was_the_battery_invented

http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_battery#/media/File:VoltaBattery.JPG

http://technick.net/guides/electronics/bpw/c01_01/

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/93/Trough_battery.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/67/NMAH-Daniell_cell_batteries_1836.JPG

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/67/NMAH-Daniell_cell_batteries_1836.JPG

https://en.wikipedia.org/wiki/Daniell_cell

http://batteryuniversity.com/learn/article/primary_batteries

http://batteryuniversity.com/learn/archive/memory_myth_or_fact

http://ebatt.si/si/samsung/518-baterija-za-samsung-i8160-galaxy-ace-2-1700mah.html

http://ebatt.si/si/alkalne-industrijsko-pakiranje/1580-varta-aa-lr06-industrial-kos.html

http://ebatt.si/si/gumb-baterije/98-aku-pan-gumb-li-br2330-be.html

http://ebatt.si/24-thickbox_default/bat-pan-ind-alk-6lr61ab.jpg

https://en.wikipedia.org/wiki/Battery_(electricity)

http://ebatt.si/si/eneloop/1908-eneloop-aa-ni-mh-12v-2000-mah-tropical.html

http://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion

https://en.wikipedia.org/wiki/Alkaline_battery

http://www.phonedocinc.com/iphone-repair-news/2016/4/7/war-stories-fire-in-the-hole

http://www.phonedocinc.com/iphone-repair-news/2016/4/7/war-stories-fire-in-the-hole

http://trigana.si/oznacevanje-in-omejitve-pri-prodaji-2/

http://ebm.si/zw/wp-content/uploads/2013/12/baterije.jpeg

http://www.interseroh-slo.si/

http://investadelaide.com.au/why-adelaide/adelaide-smart-city/the-smart-city-vision/

http://investadelaide.com.au/why-adelaide/adelaide-smart-city/the-smart-city-vision/



https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_battery

https://en.wikipedia.org/wiki/Daniell_cell


- 90 -

6 PRILOGE

Priloga 1: Katalog potrjenih učbenikov za šolsko leto 2015/2016 [40].


- 91 -


- 92 -


- 93 -

Priloga 2: Učni listi za eksperimente.

VOLTOV STOLP

UVOD:

Leta 1800 je Alessandro Volta (1745–1827), italijanski plemič in fizik,

sestavil prvi preprosti galvanski člen iz cinkovih in bakrenih ploščic.

Mednje je poloţil klobučevino, pomočeno v slanico.

Če poveţemo več členov skupaj, dobimo Voltov stolp, prvo baterijo.

Podoben eksperiment lahko narediš s kovanci za 1, 2, 5, 10, 20 in 50

centov, pocinkanimi podloţkami in kartonom.

Kovanec in podloţka sta v našem primeru elektrodi, v kisu namočen

karton pa elektrolit.

NALOGA:

Iz kovancev, pocinkanih podloţk in v kis namočenega kartona, izdelaj galvanski člen in mu

izmeri napetost. Sestavljaj galvanske člene v baterijo in izmeri napetost ob vsakem novo

dodanem členu. Pripravi Voltov stolp iz petih členov.

Delovanje Voltovega stolpa preizkusi z LED ţarnico in zvočnim modulom glasbene čestitke.

VARNOST:

Pri delu nosi zaščitno haljo, rokavice in očala. Po končanem delu si umij roke.

OBLIKA IZVEDBE EKSPERIMENTA: delo v dvojicah/skupinah.

POTREBŠČINE:



- 10 pocinkanih podloţk v velikosti kovancev,

- karton ali lepenka,

- škarje,

- beli kis,

- kuhinjska sol,

- 2 čaši (50 mL),

- izolirni trak,

- papirnata brisača,

- 2 rdeči ali zeleni LED ţarnici, zvočni modul,

- 2 vodnika s krokodilsko sponko

- košček aluminijeve folije,

- voltmeter,

- 4 elastike,


POTEK DELA:

V skupini boš izvedel dva eksperimenta merjenja napetosti. Enega s kovanci za 5 centov in

enega s kovanci za 10 centov. Baterijo z LED ţarnico pripravi sam.

Očisti kovance v kisu, ki si mu dodal malo soli, in jih dobro osuši s papirnato brisačo. Iz

kartona izreţi 10 krogov v velikosti kovanca in jih za nekaj minut pomoči v kis, nato jih

poloţi na papirnato brisačo, da popivnaš odvečno tekočino.


- 94 -

Na delovno površino poloţi zloţen košček aluminijeve folije, ki ti bo sluţil kot prevodnik. Na

folijo poloţi najprej pocinkano podloţko, nato s kisom omočen karton, nazadnje še kovanec.

Prvi galvanski člen imaš ţe sestavljen. S pomočjo voltmetra mu izmeri napetost in rezultat

vpiši v tabelo. Ne pozabi: rdeč priključek voltmetra pristaviš na kovanec, črnega pa na

aluminijevo folijo oz. pocinkano podloţko.

Prvemu galvanskemu členu po istem zaporedju dodajaj člene in vsakič izmeri napetost.

Rezultate vpiši v tabelo in predstavi z grafom.

Ob vsakem na novo dodanem členu preizkusi, če LED ţarnica in zvočni modul ţe delujeta.

Pri LED ţarnici bodi pozoren, da daljši konec ţičke postaviš na pozitivno stran, torej na

kovanec, krajšo ţičko pa na negativno stran, torej na aluminijevo folijo oz. pocinkano

podloţko, saj v nasprotnem primeru ne bo svetila.

Med eksperimentom si ugotovil, koliko členov potrebuješ, da zasveti LED ţarnica.

Pripravi si baterijo iz treh ali štirih členov z LED ţarnico in jo oblepi z izolirnim trakom.

Izolirni trak bo obdrţal obliko baterije in preprečil izhlapevanje kisa. Za boljši stik med

elektrodami in LED ţarnico, lahko baterijo poveţeš z elastiko.

Baterijo z LED ţarnico opazuj, koliko časa bo svetila in svoja opaţanja zapiši.

Pospravi delovno površino.

REZULTATI:

Izmeri in vpiši v tabelo napetost zaporedno vezanih galvanskih členov.

Rezultat predstavi z grafom.

kovanci za 5 centov

število členov napetost (V)

1

2

3

4

5

kovanci za 10 centov


1

2

3

4

5


- 95 -

Koliko členov si moral sestaviti,

- da je zasijala LED ţarnica? _______________________________________________

- da si zaslišal glasbo iz zvočnega modula? ___________________________________

- da je LED ţarnica sijala z močno svetlobo? __________________________________

- da je bila glasba iz zvočnega modula razločna? _______________________________

Opazuj, koliko časa bo delovala LED ţarnica s pripravljeno baterijo in zapiši svoje

ugotovitve.

_______________________________________________________________________

Katera baterija, iz kovancev za 5 ali 10 centov, je delovala dlje?

_______________________________________________________________________

Po končanem opazovanju si oglej kovance in podloţke ter jih primerjaj z neuporabljenimi.

Se je površina kaj spremenila? Zapiši svoje ugotovitve.

_______________________________________________________________________

VPRAŠANJA:

Na spletu poišči stran z informacijami o evrskih kovancih. Zapiši, iz katerih snovi so

sestavljeni kovanci za 5 in 10 centov. _________________________________________

__________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________

Katera kovina v eksperimentu je pozitivna elektroda (katoda) in katera negativna (anoda)?

_______________________________________________________________________

Razmisli, kaj bi moral storiti, da bi po končanem opazovanju LED ţarnica znova zasvetila.

_______________________________________________________________________

Bi lahko ta postopek ponavljal v neskončnost? Zakaj?

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________


- 96 -

EKO BATERIJA

UVOD:

Baterije najdemo v vseh prenosnih napravah, ki za svoje delovanje potrebujejo elektriko.

Zaradi nevarnih snovi, ki jih vsebujejo, ne sodijo v zabojnike za mešane komunalne odpadke,

temveč med nevarne odpadke. Izpraznjene lahko oddamo pri prodajalcih baterij v posebne

zabojnike, ali pa jih odnesemo v zbirni center. Nepravilno odloţene baterije lahko onesnaţijo

podtalnico in zemljo s teţkimi kovinami, povzročijo poţar ali eksplozijo. Če imamo

moţnost, v napravah uporabljajmo baterije, ki jih lahko znova napolnimo.

Baterijo lahko na razmeroma preprost način pripravimo tudi doma iz sadja ali zelenjave. V

našem poskusu bomo uporabili limono.

V limoni ni shranjena elektrika, kot bi lahko zmotno sklepali.

V njenem soku je citronska kislina, ki deluje kot elektrolit in

omogoča, da elektrodi delujeta kot galvanski člen. Ko

poveţemo elektrodi v zunanji tokokrog, elektroni iz

negativne elektrode (cink) potujejo na pozitivno (baker), kar

lahko izkoristimo za opravljanje električnega dela.

Ena limona ustvari prešibak električni tok, da bi lahko priţgali LED ţarnico, zato jih

poveţemo več skupaj, da ustvarimo močnejšo baterijo.

NALOGA:

Iz limone, pocinkanega in bakrenega ţeblja sestavi galvanski člen in mu izmeri napetost.

Sestavljaj galvanske člene v eko baterijo in izmeri napetost ob vsakem novo dodanem členu.

Delovanje eko baterije preizkusi z LED ţarnico in zvočnim modulom glasbene čestitke.

Razmisli o pomenu zbiranja in recikliranja odsluţenih baterij.

VARNOST:


V kemijskem laboratoriju oz. učilnici je prepovedano uţivanje hrane in pijače.


POTREBŠČINE:

- 5 limon (krompirjev, jabolk, paradiţnikov, ali sadje oz. zelenjava po lastni izbiri),

- 6 vodnikov s krokodilskimi sponkami,

- 5 pocinkanih ţebljev, vijakov ali cinkovih ploščic,

- 5 bakrenih ţebljev ali bakrenih ploščic,

- LED ţarnica, zvočni modul,

- voltmeter,

- papirnate brisače,


POTEK DELA:

Skrbno očisti elektrode, da odstraniš morebitno umazanijo oz. oksidirano plast. Če imaš

pocinkane ţeblje, bodi previden, da ne odstraniš tanke plasti cinka.

Povaljaj limono med dlanjo in podlago, da poškoduješ membrane v limoni in sprostiš sok.


- 97 -

V limono na razdalji dveh do treh centimetrov pribliţno enako globoko zapiči po eno

cinkovo in eno bakrovo elektrodo. Biti morata dovolj skupaj, vendar se v limoni ne smeta

dotikati. Poveţi elektrodi z voltmetrom in odčitaj napetost. Rezultat vpiši v tabelo.

Na enak način kot prvo limono pripravi še ostale ter jih zaporedno poveţi med sabo. To

pomeni, da cinkovo elektrodo s prve limone poveţeš z bakrovo na drugi limoni. Poveţi

baterijo z voltmetrom in ob vsakem dodanem členu izmeri napetost. Rezultate vpiši v tabelo

in predstavi z grafom.

S preizkušanjem ugotovi, koliko limon je potrebno, da zasveti LED ţarnica in zaigra zvočni

modul. Pri LED ţarnici bodi pozoren, da daljšo ţičko poveţeš z bakrovo elektrodo, krajšo pa

s cinkovo.

Na enak način kot z limono, lahko pripraviš baterijo z različnim sadjem oz. zelenjavo.

Tudi elektrode lahko izbereš druge, npr. ţelezo, medenina, nerjaveča pločevina, aluminij.

Pospravi delovno površino.

REZULTATI:

Izmeri in vpiši v tabelo napetost zaporedno vezanih galvanskih členov.

Rezultat predstavi z grafom.


1

2

3

4

5

Koliko členov si moral sestaviti,

- da je zasijala LED ţarnica? ______________________________________________

- da si zaslišal glasbo iz zvočnega modula? ___________________________________

- da je LED ţarnica sijala z močno svetlobo? __________________________________

- da je bila glasba iz zvočnega modula razločna? _______________________________

VPRAŠANJA:

Kakšno vlogo ima v bateriji limona? __________________________________________

Bi lahko s takšno baterijo napolnil mobilni telefon? Razloţi. _______________________

________________________________________________________________________

V trgovini poišči zbiralnik za odpadne baterije in si ga oglej. Poskrbi, da boste v vaši druţini

vedno pravilno odlagali iztrošene baterije.


- 98 -

ENERGIJA SLANE VODE

UVOD:

Voda prekriva ¾ površine Zemlje, od tega je

morske vode 97 %. Morska voda je vir številnih

elementov. Za nas najpomembnejši so natrij,

klor, jod, brom. Natrijev klorid je glavna

sestavina kuhinjske soli, jod pa je v našem telesu

potreben za normalno delovanje ţleze ščitnice.

Slana voda prevaja električni tok zaradi soli, ki so v njej raztopljene. Natrijev klorid v vodi

razpade na posamične ione natrija in klora. Ion natrija ima pozitiven naboj, ker je oddal en

elektron, ion klora pa ima negativen naboj, ker je en elektron sprejel. Kloridni ion zaradi

viška elektronov daje slani vodi prevodne lastnosti.

S pomočjo slane vode lahko proizvedemo tudi električno energijo.

NALOGA:

Iz bakrene plošče, pločevinke in slane vode pripravi galvanski člen. Njegovo delovanje

preizkusi z voltmetrom in nizkonapetostnim motorčkom z ventilatorjem.

VARNOST:



POTREBŠČINE:

- bakrena plošča debeline 0,4 mm

- polna aluminijasta pločevinka,

- brusni papir,

- 3 gumijaste elastike,

- 2 čaši (1 L),

- morska sol,

- voda,

- ţlica,

- vodniki s krokodilskimi sponkami,

- nizkonapetostni motorček z ventilatorjem (optimalno od pogona CD roma)

- voltmeter,


POTEK DELA:

Z brusnim papirjem očisti bakreno ploščo in aluminijasto pločevinko, da na njej ne bo več

vidnega napisa. Bakreno ploščo zvij v valj, ki je nekoliko širši od pločevinke. Na pločevinko

pri vrhu, pri dnu in v sredini namesti gumijaste elastike.

V čašo vlij vodo in v njej raztopi 2 do 3 jedilne ţlice soli.

Pločevinko spusti v bakren valj, ju postavi v čašo in nalij toliko vode, da bo segala pribliţno

en centimeter do vrha pločevinke. Pločevinka v vodi ne sme plavati.


- 99 -

Bakren valj poveţi z voltmetrom z rdečim priključkom, pločevinko pa s črnim.

Izmeri napetost in zapiši rezultat.

Priključi motorček z ventilatorjem in preizkusi njegovo delovanje. Opazuj, koliko časa bo

ventilator deloval.

Če motorček ne deluje, pripravi več zaporedno vezanih členov.

REZULTATI:

Izmerjena napetost člena: ___________________________________________________

Koliko časa je ventilator deloval? _____________________________________________

VPRAŠANJA:

Na spletu poišči podatek, koliko soli vsebuje morska voda. Je morje povsod enako slano?

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

Kakšno nalogo opravlja v eksperimentu sol? _____________________________________

________________________________________________________________________

Zakaj si pri eksperimentu uporabil gumijasto elastiko? ____________________________

________________________________________________________________________

Katera kovina v eksperimentu je pozitivna elektroda (katoda) in katera negativna (anoda)?

________________________________________________________________________

Kaj bi moral storiti, da bi po končanem eksperimentu ventilator zopet deloval?

________________________________________________________________________


- 100 -

GALVANSKI ČLEN

UVOD:

Galvanski člen je naprava, ki pretvarja kemijsko energijo snovi neposredno v električno

energijo s pomočjo kemijskih reakcij oksidacije in redukcije. Energija eksotermne reakcije se

pretvarja v električno energijo. Z galvanskim členom pridobivamo enosmerni električni tok,

ki ga lahko uporabimo za opravljanje dela. Sestavljen je iz dveh elektrod, pregrade med

njima in elektrolita.

Vsaka baterija je sestavljena iz enega ali več galvanskih členov. Glavna razlika med

posameznimi baterijami je v materialih, ki so uporabljeni za elektrodi oz. elektrolit. Različni

materiali dajejo baterijam različne lastnosti. Le pri določenih vrstah uporabljenih materialov

je moţno obrniti kemijski proces, ki poteka pri praznjenju in s tem baterijo ponovno

napolniti.

Primer enostavnega galvanskega člena je

Daniellov člen, imenovan po njegovem

izumitelju, Johnu Fridericu Daniellu (1790–

1845), angleškemu kemiku in fiziku.

Vsak polčlen je sestavljen iz posode, v kateri je

raztopina kovinskega iona, v njej pa je ploščica iz

iste kovine. Negativno elektrodo predstavlja cink,

pozitivno pa baker. Polčlena poveţemo z

elektrolitskim ključem.

Ko vzpostavimo zunanji tokokrog, stečejo

elektroni iz negativne elektrode na pozitivno.

Cinkova elektroda se pri tem raztaplja, baker pa

izloča.

Kemijski reakciji v polčlenih: Zn → Zn2+

+ 2 e– Cu

2+ + 2 e

– → Cu

Skupna kemijska reakcija: Zn + Cu2+

Zn2+

+ Cu

NALOGA:

Opazuj učitelja pri sestavi Daniellovega galvanskega člena po priloţeni shemi.

Členu izmerite napetost, njegovo delovanje preverite z zvočnim modulom.

Opazuj kemijsko reakcijo ob elektrodah.

VARNOST:

Učitelj pri delu nosi zaščitna očala, rokavice ter zaščitno haljo.

Po vaji odlije raztopine v posode za odpadne kemikalije, kovine očisti in shrani. Učenci

opazujete demonstracijo iz primerne razdalje. Preden zapustite učilnico, si umijte roke.

OBLIKA IZVEDBE EKSPERIMENTA: demonstracija učitelja

POTREBŠČINE:

- cinkova in bakrena ploščica,

- 16 g cinkovega sulfata ZnSO4,

- 16 g bakrovega sulfata CuSO4,


- 101 -

- destilirana voda,

- elektrolitski ključ z nasičeno raztopino kalijevega klorida KCl,

- 2 čaši (100 mL),

- 2 stekleni palčici,

- brusni papir,

- vata,

- voltmeter,

- zvočni modul glasbene čestitke,


POTEK DELA:

Učitelj očisti cinkovo in bakreno ploščico z brusnim papirjem. Pripravi elektrolitski ključ z

nasičeno raztopino kalijevega klorida in konca cevke zapolni z vato. Pripravi voltmeter in

vodnika s krokodilsko sponko.

Označi čaši (Zn (-) in Cu (+)), vanju prenese cinkov oz. bakrov sulfat ter dopolni z

destilirano vodo do označbe 100 ml. S stekleno palčico premeša raztopino, da se vsi delci

raztopijo. V čašo s cinkovim sulfatom postavi cinkovo ploščico, v čašo z bakrovim sulfatom

pa bakreno ploščico. Vodnika poveţe z voltmetrom in izmeri napetost, nato ju poveţe z

zvočnim modulom in preveri delovanje.

Učitelj oba polčlena poveţe z elektrolitskim mostom. Opazujte voltmeter in zapišite napetost.

Vodnika poveţe z zvočnim modulom in preveri delovanje.

Opazujte kemijsko reakcijo ob elektrodah in svoja opaţanja zapišite.

REZULTATI:

Napetost Daniellovega člena BREZ elektrolitskega ključa: __________________________

Napetost Daniellovega člena Z elektrolitskim ključem: ____________________________

Kakšen je zvok glasbe iz zvočnega modula? ____________________________________

Zapiši, kaj se dogaja z elektrodama in elektrolitom med kemijsko reakcijo. ______________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

VPRAŠANJA:

Zakaj potrebujemo pri eksperimentu elektrolitski ključ? ___________________________

________________________________________________________________________

Kje je negativni in kje pozitivni del galvanskega člena? ___________________________

________________________________________________________________________

Kako imenujemo reakcijo sprejemanja elektronov in kako reakcijo oddajanja elektronov?

BATERIJE E-UČNA ENOTApefprints.pef.uni-lj.si/4246/1/DIPLOMA_ŠTIRN_SIMONA.pdfII POVZETEK Baterije...

Documents

Transcript of BATERIJE E-UČNA ENOTApefprints.pef.uni-lj.si/4246/1/DIPLOMA_ŠTIRN_SIMONA.pdfII POVZETEK Baterije...