Baterie: Porovnání verzí

Baterie (Galvanický článek)
	Soubor:Assorted batteries.jpg
	Různé typy běžně používaných galvanických článků a baterií
Typ	Elektrochemický zdroj energie
Vynálezce	Alessandro Volta
Klíčové technologie	Olověné, NiCd, NiMH, Li-ion, Li-pol, Sodík-iontové, Pevnoelektrolytové (Solid-state)

VizuálníWikitext

Aktuální verze z 15. 11. 2025, 23:55

Rozbalit box

Obsah boxu

Baterie, odborně galvanický článek, je elektrochemické zařízení sloužící jako zdroj stejnosměrného elektrického proudu. Skládá se z jednoho či více elektrochemických článků, které přeměňují uloženou chemickou energii přímo na elektrickou energii prostřednictvím redoxních reakcí. Baterie se staly nepostradatelnou součástí moderní civilizace, od napájení malých elektronických zařízení až po pohon elektromobilů a stabilizaci rozvodných sítí.

Termín "baterie" původně označoval soustavu více stejných prvků (např. dělostřelecká baterie). V kontextu elektřiny jej poprvé použil Benjamin Franklin pro označení sady propojených leydenských lahví. Dnes se termín hovorově používá i pro jediný galvanický článek (např. tužková baterie).

📜 Historie

Cesta k moderní baterii začala objevy v oblasti elektřiny a chemie v 18. století. Italský vědec Luigi Galvani v roce 1780 pozoroval, že svaly mrtvé žáby se stahují při dotyku dvou různých kovů, což mylně interpretoval jako "živočišnou elektřinu". Na jeho práci navázal Alessandro Volta, který správně pochopil, že zdrojem proudu je kontakt dvou různých kovů v prostředí vodivého roztoku.

V roce 1800 sestrojil Volta první skutečnou baterii, známou jako Voltův sloup. Skládala se ze střídavě naskládaných měděných a zinkových plíšků proložených textilií namočenou ve slaném roztoku. Tento vynález poprvé poskytl lidstvu stálý a spolehlivý zdroj elektrického proudu a odstartoval novou éru vědeckých objevů.

Dalším významným milníkem byl rok 1836, kdy britský chemik John Frederic Daniell vynalezl Daniellův článek, který byl spolehlivější a bezpečnější než Voltův sloup. Zásadní průlom v oblasti dobíjecích baterií přišel v roce 1859, kdy francouzský fyzik Gaston Planté vynalezl olověný akumulátor, jehož princip se v modernizované podobě používá dodnes, především v automobilech. Konec 20. století patřil technologii lithium-iontových (Li-ion) baterií, za jejichž vývoj získali John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham a Akira Jošino v roce 2019 Nobelovu cenu za chemii.

🔬 Princip fungování

Základem každé baterie jsou tři hlavní komponenty: záporná elektroda (anoda), kladná elektroda (katoda) a látka mezi nimi (elektrolyt). Anoda a katoda jsou vyrobeny z různých materiálů, které mají odlišnou schopnost přijímat nebo uvolňovat elektrony. Elektrolyt je chemická látka (často kapalina nebo gel), která obsahuje volně pohyblivé ionty a umožňuje jejich transport mezi elektrodami, ale brání průchodu elektronů.

Když se baterie připojí do obvodu (např. se zapne žárovka), na anodě začne probíhat oxidace. Materiál anody uvolňuje elektrony do vnějšího obvodu a kladně nabité ionty do elektrolytu. Tyto elektrony putují vnějším vodičem přes spotřebič (žárovku) ke katodě, kde vykonávají práci (produkují světlo a teplo).

Současně putují kladné ionty přes elektrolyt a separátor (membrána bránící přímému kontaktu elektrod) ke katodě. Zde probíhá redukce – materiál katody přijímá elektrony z vnějšího obvodu a reaguje s ionty přicházejícími z elektrolytu. Tento tok elektronů vnějším obvodem je právě onen elektrický proud, který využíváme. U dobíjecích baterií lze tento proces obrátit připojením vnějšího zdroje napětí, čímž se chemické látky vrátí do původního stavu.

⚛️ Pro laiky

Představte si baterii jako malou přehradu s vodou. Voda v přehradě představuje uloženou chemickou energii. Přehrada má dva otvory: jeden nahoře (anoda) a jeden dole (katoda). Mezi nimi je turbína (spotřebič, např. telefon).

Nabitá baterie: Přehrada je plná vody. Voda nahoře má velký potenciál vykonat práci.
Vybíjení: Když otevřete stavidla, voda (elektrony) začne proudit z horního otvoru přes turbínu do spodního. Proudící voda roztáčí turbínu, která vyrábí elektřinu (telefon funguje). Zároveň se hladina vody v přehradě snižuje (baterie se vybíjí).
Vybitá baterie: Všechna voda protekla dolů. Hladiny jsou vyrovnané a voda už nemá kam téct. Turbína se zastaví.
Nabíjení (u dobíjecích baterií): Připojíte nabíječku, která funguje jako silné čerpadlo. Toto čerpadlo začne přečerpávat vodu ze spodní nádrže zpět nahoru do přehrady. Tím se obnoví potenciální energie a přehrada (baterie) je opět připravena k použití.

Elektrolyt si v této analogii můžete představit jako vnitřní kanál, který umožňuje vyrovnávání tlaku vody (iontů) uvnitř přehrady, aby mohl vnější proud plynule téct.

⚙️ Typy baterií

Baterie se dělí do dvou základních kategorií podle toho, zda je možné je po vybití znovu nabít.

Primární (nenabíjecí) články

Tyto baterie jsou navrženy pro jedno použití. Chemické reakce v nich probíhající jsou nevratné. Po vyčerpání chemických látek se stávají nepoužitelnými a měly by být ekologicky zlikvidovány.

Zinko-uhlíkové články: Nejstarší a nejlevnější typ, vhodný pro zařízení s nízkým odběrem (např. hodiny, dálkové ovladače). Mají nízkou kapacitu a trpí samovybíjením.
Alkalické baterie: Nejrozšířenější typ pro běžné použití. Nabízejí vyšší kapacitu a delší životnost než zinko-uhlíkové. Používají se v hračkách, svítilnách a přenosné elektronice.
Lithiové baterie (primární): Nezaměňovat s Li-ion. Nabízejí velmi vysokou energetickou hustotu, dlouhou skladovatelnost (i přes 10 let) a fungují v širokém rozsahu teplot. Používají se v hodinkách, lékařských přístrojích (např. kardiostimulátory) nebo ve fotografické technice.

Sekundární (nabíjecí) články

Také známé jako akumulátory. Chemické procesy v nich jsou vratné, což umožňuje jejich opakované nabíjení a vybíjení.

Olověné akumulátory: Robustní, levná a osvědčená technologie. Používají se především jako startovací baterie v automobilech se spalovacími motory a jako záložní zdroje (UPS). Jejich nevýhodou je vysoká hmotnost a nízká energetická hustota.
Nikl-kadmiové (NiCd): Dnes již téměř nepoužívané kvůli obsahu toxického kadmia a výraznému paměťovému efektu. Byly nahrazeny technologií NiMH.
Nikl-metal hydridové (NiMH): Ekologičtější náhrada NiCd s vyšší kapacitou. Stále se používají v některých zařízeních, jako jsou fotoaparáty nebo starší hybridní automobily, ale jsou masivně vytlačovány technologií Li-ion.
Lithium-iontové (Li-ion): Dominantní technologie současnosti. Nabízejí vysokou energetickou hustotu, nízkou hmotnost a netrpí paměťovým efektem. Existuje mnoho podtypů (NMC, LFP, NCA) s různými vlastnostmi. Jsou základem moderní spotřební elektroniky (smartphony, notebooky), elektromobilů a velkých energetických úložišť.

📊 Klíčové parametry

Pro porovnávání a hodnocení baterií se používá několik základních technických parametrů, které definují jejich výkon a vhodnost pro danou aplikaci.

Jmenovité napětí (V): Udává se ve voltech (V). Je dáno chemickým složením elektrod a elektrolytu. Například jeden článek Li-ion má typicky napětí kolem 3,7 V, zatímco olověný článek má 2,1 V. Vyššího napětí se dosahuje sériovým spojením více článků.
Kapacita (Ah): Udává se v ampérhodinách (Ah) nebo miliampérhodinách (mAh). Vyjadřuje, jaký proud je baterie schopna dodávat po určitou dobu. Baterie s kapacitou 2 Ah může teoreticky dodávat proud 2 A po dobu jedné hodiny, nebo proud 0,1 A po dobu 20 hodin.
Energetická hustota (Wh/kg): Klíčový parametr zejména pro mobilní aplikace. Udává, kolik energie (ve watthodinách) je baterie schopna uložit na jednotku své hmotnosti (kilogram). Li-ion baterie v tomto parametru výrazně převyšují starší technologie.
Životnost (počet cyklů): Definuje, kolikrát může být baterie nabita a vybita, než její kapacita klesne pod určitou úroveň (obvykle 80 % původní hodnoty). U moderních Li-ion baterií pro elektromobily se pohybuje v řádu tisíců cyklů.
C-rate: Vyjadřuje rychlost nabíjení nebo vybíjení vzhledem ke kapacitě baterie. 1C znamená, že se baterie plně nabije nebo vybije za jednu hodinu. Rychlonabíjení u elektromobilů může dosahovat hodnot 2C, 3C i více.

📱 Aplikace a využití v roce 2025

V roce 2025 jsou baterie klíčovou technologií podporující dva hlavní globální trendy: dekarbonizaci energetiky a digitalizaci společnosti.

Spotřební elektronika

Zde stále dominuje technologie Li-ion a Li-pol. Výrobci se zaměřují na zvyšování energetické hustoty pro delší výdrž smartphonů, notebooků, chytrých hodinek a dalších nositelných zařízení. Velký důraz je kladen na rychlost nabíjení, kde standardem jsou technologie umožňující nabití z 0 na 50 % během několika minut.

Elektromobilita

Elektromobilita je největším motorem inovací v oblasti baterií. V roce 2025 tvoří baterie přibližně 30-40 % ceny elektromobilu. Hlavními technologiemi jsou Li-ion s katodami NMC (nikl-mangan-kobalt) pro prémiové vozy s dlouhým dojezdem a LFP (lithium-železo-fosfát) pro levnější modely, které nabízejí vyšší bezpečnost a delší životnost. Průměrná kapacita baterie v novém elektromobilu se pohybuje mezi 60 a 80 kWh, což umožňuje reálný dojezd přes 400 km.

Energetická úložiště (BESS)

Velkokapacitní bateriová úložiště energie (BESS) jsou nezbytná pro stabilitu elektrických sítí s vysokým podílem obnovitelných zdrojů, jako jsou solární a větrné elektrárny. Tato úložiště dokáží uchovat energii vyrobenou během slunečného nebo větrného dne a dodávat ji do sítě v době špičkové poptávky. Největší BESS projekty dosahují kapacity v řádu gigawatthodin (GWh). Pro stacionární úložiště se stále více prosazují bezpečnější a levnější LFP baterie a začínají se objevovat první komerční instalace na bázi sodík-iontových baterií.

📈 Globální trh a ekonomika

Globální trh s bateriemi zažívá exponenciální růst, tažený především poptávkou z automobilového průmyslu a sektoru energetiky. V roce 2025 se jeho hodnota odhaduje na více než 180 miliard USD s předpokladem dalšího rychlého růstu. Trhu dominují asijští výrobci, zejména čínská společnost CATL, která je největším světovým producentem, následovaná firmami jako BYD, LG Energy Solution a Panasonic.

Klíčovým faktorem je cena a dostupnost surovin. Ceny lithia, kobaltu a niklu jsou velmi volatilní a ovlivňované geopolitickou situací. Těžba těchto materiálů je koncentrována v několika zemích (Chile a Austrálie pro lithium, Demokratická republika Kongo pro kobalt), což vytváří rizika pro dodavatelské řetězce. Proto se zintenzivňuje výzkum baterií s alternativní chemií (např. sodík-iontové) a masivně se investuje do recyklace.

🌍 Environmentální dopady a recyklace

Přestože jsou baterie klíčové pro přechod na čistou energii, jejich výroba a likvidace přináší významné environmentální výzvy. Těžba surovin, zejména lithia a kobaltu, je energeticky náročná, spotřebovává velké množství vody a často probíhá v oblastech s nízkými ekologickými a sociálními standardy. Výroba baterií má také významnou uhlíkovou stopu, i když ta je během životního cyklu elektromobilu více než kompenzována úsporou emisí z provozu.

Recyklace je proto naprosto klíčová pro udržitelnost celého odvětví. Umožňuje získat zpět cenné kovy jako kobalt, nikl a lithium a snížit tak závislost na primární těžbě. V Evropské unii platí od roku 2023 přísná nařízení (tzv. Bateriový pas), která stanovují minimální podíl recyklovaných materiálů v nových bateriích a cíle pro sběr a recyklaci starých baterií. Cílem je vytvořit uzavřený cyklus (cirkulární ekonomika), kde se materiály z vysloužilých baterií používají k výrobě nových.

🔬 Výzkum a budoucnost

Vývoj baterií postupuje velmi rychle a zaměřuje se na několik klíčových oblastí. Hlavním cílem je zvýšení energetické hustoty, prodloužení životnosti, zlepšení bezpečnosti a snížení nákladů.

Baterie s pevným elektrolytem (Solid-state): Jsou považovány za "svatý grál" bateriové technologie. Nahrazení hořlavého kapalného elektrolytu pevným materiálem by mělo přinést výrazně vyšší bezpečnost a vyšší energetickou hustotu. V roce 2025 se očekávají první malosériové aplikace, masové nasazení se předpokládá kolem roku 2030.
Sodík-iontové baterie: Využívají hojně dostupný a levný sodík místo lithia. Mají sice nižší energetickou hustotu než Li-ion, ale jsou ideální pro stacionární energetická úložiště a levnější elektromobily, kde není hmotnost tak kritickým faktorem. Jejich komerční nasazení začíná právě v polovině tohoto desetiletí.
Lithium-sírové (Li-S) a Lithium-vzduchové (Li-air) baterie: Tyto technologie slibují teoreticky řádově vyšší energetickou hustotu než Li-ion, ale stále čelí velkým technickým výzvám, zejména v oblasti stability a životnosti. Jsou ve fázi základního a aplikovaného výzkumu.

Zdroje