Rafhlaða

Fjórar endurhlaðanlegar rafhlöður af hinni algengu stærð „AA“.

Rafhlaða eða batterí er tæki sem geymir orku og gerir hana aðgengilega á formi rafstraums. Slík geymsla á rafstöðu-formi er hagnýt til vissra sérhæfðra nota (í þétti) en flestar rafhlöður eru gerðar úr rafefnafræðilegum tækjum svo sem einni eða fleiri galvanískum sellum, eða nú nýjast brunasellum og kunna að byggja á enn öðrum gerðum af tækni í framtíðinni. Rafhlöðuiðnaðurinn veltir 180 milljörðum króna á ári.

Gera má ákveðinn greinarmun á rafhlöðu og rafgeymi. Samkvæmt venjulegri málnotkun er rafgeymirinn stærri og má líta svo á að hann sé settur saman úr stökum rafhlöðum. Þennan greinarmun má gera tæknilegan með því að skoða spennuna. Stakar rafhlöður eða „sellur“ gefa yfirleitt spennu á bilinu 1,5-4,5 V. Hlutur sem gefur meiri spennu en það er örugglega settur saman úr stökum sellum og má kalla hann rafgeymi. Dæmi er blýsýrurafgeymir, eða bílrafgeymir, sem notaður er í bíla. Hann er settur saman úr allnokkrum „sellum“ og gefur 12 V spennu.

Saga

Vissar vísbendingar eru til á formi Bagdad-rafhlöðunnar—frá því einhvern tíma milli 250 f.Kr. og 640 e.Kr.—um að galvanískar sellur hafi verið notaðar til forna. Hafi svo verið, varðveittist sú þekking ekki og hefur því engin samfelld tengsl við þróun nútíma rafhlaða. Ágiskunin um að þessi tæki kunni að hafa gefið rafstraum er sennileg en ósönnuð, eins og einnig á við um tæki sem uppgötvast hafa í egypskum gröfum og haldið er fram að hafi verið rafhlöður.

Fyrstur á síðari tímum til að búa til rafhlöðu er talinn hafa verið Benjamin Franklin. Árið 1748 varpaði hann fram hugtakinu rafhlaða (battery) til að lýsa þeim einfalda þétti sem hann gerði þá tilraunir með, sem var röð hlaðinna glerplatna. Eldri merking orðsins „battery“ var „barsmíð“ sem er tilfinningin sem menn fá af raflosti úr apparatinu. Á þessum tímum var skemmtunin sem fólst í raflosti ein af fáum notum fyrir þessa tækni. Aðrir tilraunamenn bjuggu til rafhlöður úr allnokkrum raðtengdum Leyden krukkum. Skilgreiningin var síðar víkkuð svo hún tæki til hneppa rafefnafræðilegra sella og þétta. Voltaíski staflinn var efnafræðileg rafhlaða sem ítalski eðlisfræðingurinn Alessandro Volta þróaði árið 1800. Volta rannsakaði hrifin sem mismunandi málmar ollu þegar þeir voru settir í saltvatn. Árið 1801 sýndi Volta Napoléon Bonaparte voltaísku selluna (sem aðlaði hann síðar fyrir uppgötvanir sínar). Luigi Galvani, maðurinn sem uppgötvaði líffræðilegt rafmagn, rannsakaði sömu hrif með tveimur stykkjum úr sama málmi lögðum í saltvatn.

Vísindasamfélagið á þessum tíma kallaði þessa rafhlöðustafla, safnara, af því hann hélt hleðslu, eða tilbúið rafurmagnstól. Sumir rafhlöðurannsakendur á fyrsta skeiðinu kölluðu tækið þyngdarsellu því þyngdaraflið hélt súlfötunum tveimur aðgreindum. Heitið krákufótarsella var einnig oft notað vegna lögunar sink-rafskautsins sem notað var í rafhlöðurnar.

Árið 1800 notuðu William Nicholson og Anthony Carlisle rafhlöðu til að greina vatn í vetni og súrefni. Sir Humphry Davy rannsakaði þessi efnafræðilegu hrif á sama tíma. Davy rannsakaði aðgreiningu efna (sem kallað er rafgreining). Árið 1813 bjó hann til paraða rafhlöðu úr 2.000 plötum í kjallara Konunglega félagsins í Bretlandi sem náði yfir 82,6 m². Af þessari tilraun ályktaði Davy að rafgreining væri sú verkan í voltastaflanum sem framleiddi rafmagn. Árið 1820 endurbætti brezki rannsakandinn John Frederic Daniell voltaísku selluna. Daniell-sellan var saman sett úr eir- og sink -plötum og eir- og sink-súlfötum. Hún var notuð til að knýja ritsíma og dyrabjöllur. Milli áranna 1832 og 1834 framkvæmdi Michael Faraday tilraunir með ferrít-hring, galvanímæli, og tengda rafhlöðu. Þegar rafhlaðan var tengd eða aftengd sýndi galvanímælirinn viðbragð. Faraday kom einnig fram með lögmálið um hreyfanleika jóna í efnahvörfum rafhlaða. Árið 1839 þróaði William Robert Grove fyrstu brunaselluna sem framleiddi raforku með því að tengja saman vetni og súrefni. Grove þróaði aðra gerð rafsellu með því að nota rafskaut úr sinki og platíni. Þessi rafskaut voru sett hvort í sína sýruna sem aðgreindar voru með himnu.

Á 7. áratug 19. aldar þróaði Georges Leclanché í Frakklandi rafhlöðu úr kolefni og sinki. Hún var blaut sella þar sem rafskauti var stungið ofan í rafvaka-vökva. Hún var sterkbyggð, auðveld í framleiðslu og entist vel í geymslu. Endurbætt útgáfa sem kölluð var þurrsella var síðar gerð með því að einangra selluna og breyta fljótandi rafvakanum í blautt deig. Leclanché-sellan er ein gerð af aðal- (einnota) rafhlöðu. Á 7. áratug 19. aldar fann Raymond Gaston Plant upp blýsýrurafhlöðuna. Hann setti tvær þunnar blýplötur með gúmmíplötum á milli ofan í þunna brennisteinssýru og bjó þannig til auka- (endurhlaðanlega) rafhlöðu. Upprunalega uppfinningin entist þó illa í geymslu. U.þ.b. árið 1811 þróaði Émile Alphonse Fauré ásamt félögum sínum rafhlöður þar sem jákvæði plöturafvakinn var gerður úr blöndu af blý-oxíðum. Þau höfðu hraðara viðbragð og hærri nýtnistuðul. Árið 1878 var loftsellurafhlaðan þróuð. Árið 1897 rannsakaði Nikola Tesla léttbyggða karbíð-sellu og súrefnis-vetnis-geymslusellu. Árið 1898 fékk Nathan Stubblefield samþykki fyrir rafhlöðueinkaleyfi (US600457) sem lýsti rafvakaspólu sem hefur verið kölluð „jarðarrafhlaða“.

Árið 1900 þróaði Thomas Edison nikkel-rafhlöðuna. Árið 1905 þróaði Edison nikkel-járn-rafhlöðuna. Eins og allar rafefnafræðilegar sellur gaf rafhlaða Edisons straum rafeinda sem streymdu allar í sömu átt, sem þekkt er sem jafnstraumur. Á dögum síðari heimsstyrjaldarinnar þróuðu Samuel Ruben og Philip Rogers Mallory kvikasilfurs-selluna. Á 6. áratugnum þróaði Russell S. Ohl þynnu úr kísli sem gaf frá sér frjálsar rafeindir. Á 6. áratugnum endurbætti Ruben alkalín-mangan rafhlöðuna. Árið 1954 bjuggu Gerald L. Pearson, Daryl M. Chapin og Calvin S. Fuller til hneppi allmargra slíkra þynna og sköpuðu þannig fyrstu sólarrafhlöðuna. Árið 1956 þróaði Francis Thomas Bacon vetnis-súrefnis-brunaselluna. Árið 1959 þróaði Lewis Urry litlu alkalín-rafhlöðuna á rannsóknastofu Eveready rafhlöðufyrirtækisins í Parma, Ohio. Á 7. áratugnum fundu þýskir rannsakendur upp blýsýrurafhlöðu með hlaupkenndum rafvaka. Duracell kom fram árið 1964.

Heimagerðar rafhlöður

Nota má nánast hvaða vökva eða rakan hlut sem ber nógu margar jónir til að vera rafleiðandi sem rafvakann í sellu. Til gamans eða sýnikennslu má setja tvö rafskaut í sítrónu, kartöflu, glas með gosdrykk o.s.frv. og framleiða þannig lítils háttar rafstraum. Þegar þetta er skrifað (2005) er „tveggja-kartaflna-klukkur“ víða að finna í föndur- og leikfangaverzlunum. Þær eru gerðar úr tveimur sellum, hvorri úr sinni kartöflunni (eða sítrónu o.s.frv.), hvor með tveimur ífestum rafskautum, sem tengdar eru í röð og mynda þannig rafgeymi með næga spennu til að knýja stafræna klukku. Engin hagnýt not eru fyrir heimagerðar rafhlöður af þessari gerð því þær framleiða mun minni straum og eru mun dýrari á hverja framleidda orkueiningu en fjöldaframleiddar rafhlöður, vegna þess hve ávöxturinn eða grænmetið endist stutt.

Framtíðin

Frumrannsóknir benda til að rafhlöður byggðar á nanótækni sem notast við kolefnisnanórör verði tvöfalt endingarbetri en hefðbundnar rafhlöður eins og við þekkjum þær.

Verið er að þróa nýja gerð rafhlaðna sem kölluð er Power Paper. Það er þunn, sveigjanleg rafhlaða sem gerð er með því að prenta „blek-sellur“ á svo að segja hvaða yfirborð sem er.

Samsetning rafhlaðna

Rásatákn fyrir rafhlöðu (+ og - tákn eru valfrjáls)

Sellurnar í rafgeymi má bæði tengja með hliðtengingu eða raðtengingu eða bæði. Hliðtengd samröðun sellna hefur sömu spennu og ein rafhlaða en getur gefið hærri straum (summa straumanna frá öllum sellunum). Á hinn bóginn gefur raðtenging sama nafnstraum og ein sella en spennan er summa spenna allra sellnanna. Hagnýtustu rafefnafræðilegar rafhlöður, svo sem 9 V vasaljósarafhlöður og 12 V bílrafgeymar, eru af raðtengdri gerð. Vandinn við hliðtengdar rafhlöður er að ef ein sella afhleðst hraðar en næsta sella við, flæðir straumur úr fullu sellunni yfir í þá tómu þannig að orka fer til spillis og hætta skapast á ofhitnun. Enn verra er að ef ein sella skammhleypist vegna innri galla leiðir það til þess að næsta sella við afhleðst með hámarksstraumi yfir í þá gölluðu sem leiðir til ofhitnunar og hugsanlega sprengingar. Hliðtengdar sellur eru þess vegna venjulega útbúnar rafrás til að verja þær gegn þessum vandamálum. Bæði í rað- og hliðtengdum gerðum jafngildir orkan sem geymd er í rafhlöðunni summu orku allra sellnanna.

Frá fræðilegum sjónarhóli má líta á rafhlöðu sem kjör spennulind raðtengd við viðnám sem er kallað innra viðnám rafhlöðunar. Spennulindin er aðallega háður efnafræði rafhlöðunnar, ekki því hvort hún er tóm eða full. Þegar rafhlaða tæmist eykst innra viðnám hennar. Þegar rafhlaðan er tengd við álag (t.d. ljósaperu), sem hefur sitt eigið viðnám, er spennan yfir álagið háð stærðum innra viðnáms rafhlöðunnar og viðnámi álagsins. Þegar rafhlaðan er ný er innra viðnám hennar lítið þannig að spennan yfir álagið er næstum því jafngilt spennu spennulindarinnar (gefið að álagsviðnámið sé töluvert stærra heldur en innra viðnám rafhlöðunar, sem er yfirleitt tilvikið). Þegar rafhlaðan tæmist eykst innra viðnám hennar, minnkar spennan yfir álagsviðnámið og sömuleiðis geta rafhlöðunnar til að gefa frá sér afl til álagsins.

Algengar rafhlöðugerðir

Frá sjónarhóli notandans má flokka rafhlöður í tvennt - endurhlaðanlegar og einnota. Báðar gerðir eru mikið notaðar.

Einnota rafhlöðum, sem einnig eru kallaðar aðalsellur, er ætlað að vera notaðar einu sinni, þar til efnahvörfin sem gefa af sér rafstrauminn eru uppurin og er rafhlöðunni þá hent. Þessi gerð er mest notuð í litlum, meðbærum tækjum sem annaðhvort draga lítinn straum, aðeins notuð í skamma stund í senn, eða eru notuð þar sem langt er í annarskonar aflgjafa. Sjá einnig: úrgang.

Öðru máli gegnir um endurhlaðanlegar rafhlöður eða aukasellur sem hlaða má að nýju eftir að hafa tæmzt. Það er gert með því að setja á þær ytri rafstraum sem veldur því að efnahvörfin sem eiga sér stað þegar rafhlaðan er notuð gerast afturábak. Tæki sem gefa slíkan straum eru kölluð hleðslutæki eða endurhleðslutæki.

Elsta mynd endurhlaðanlegrar rafhlöðu sem enn er í notkun er blauta sellan, blýsýrurafhlaðan. Sú rafhlaða er sérstök fyrir það að í henni er vökvi í óþéttum umbúðum, sem þýðir að halda verður rafhlöðunni uppréttri og loftræsta vel svo sprengifimu lofttegundirnar súrefni og vetni sem rafhlöðurnar gefa frá sér þegar þær ofhlaðast, safnist ekki fyrir. Blýsýrurafhlaðan er einnig mjög þung miðað við þá raforku sem hún geymir. Þrátt fyrir það gera lágur framleiðslukostnaður og hár hnykkstraumur að verkum að hún er mikið notuð þar sem þyngd og auðveld meðhöndlun skipta ekki mestu.

Algeng gerð blýsýrurafhlöðu er nútíma bílrafgeymirinn. Hann getur gefið u.þ.b. 10.000 Watta afl við 12 V nafnspennu (þó raunveruleg opinnar-rásar spennan sé nær 13,7 V) og hámarksstraum upp á 450-1100 amper. Rafvaki rafgeymisins er brennisteinssýra sem getur valdið alvarlegu líkamstjóni ef hún slettist á húð eða í augu.

Dýrari gerð blýsýrurafgeymis kallast hlauprafhlaða (eða „hlaupsella“). Í henni er rafvakinn úr hálfföstu efni til að hindra leka. Meðal annarra meðbærra endurhlaðanlegra rafhlaðna má nefna nokkrar „þurrsellu“-gerðir, sem eru einangraðar einingar og því gagnlegar í tækjum á borð við farsíma og fartölvur. Sellur af þessari gerð (í röð vaxandi aflþéttleika og verðs) eru m.a. nikkel-kadmín (nicad eða (NiCd), nikkel-málm-hýdríð (NiMH) og liþín-jóna (Li-Jón) sellur.

Algengar rafhlöðustærðir

Einnota rafhlöður og nokkrar endurhlaðanlegar rafhlöður fást í allmörgum staðalstærðum þannig að nota má sömu rafhlöðugerð í fjölmargar gerðir tækja. Nokkrar helztu gerðir sem notaðar eru í meðbær tæki birtast að neðan:

Sjá einnig: Listi yfir rafhlöðustærðir

US	IEC	ANSI	Annað	Lögun	Spenna
N	LR1	910A	lady	sívalningur L 30.2 mm, Þ 12 mm	1.5 V
AAAA		25A	MN2500	sívalningur L 42 mm, Þ 8 mm	1.5 V
AAA	LR03	24A	R03,MN2400, AM4,UM4,HP16,micro	sívalningur L 44.5 mm, Þ 10.5 mm	1.5 V
AA	LR6	15A	R6,MN1500, AM3,UM3,HP7,mignon	sívalningur L 50 mm, Þ 14.2 mm	1.5 V
A			glóþráðargjafi í eldri útvarpsviðtækjum	ferhyrndur strendingur ýmsar stærðir.	6 V
A				sívalningur L 50 mm, Þ 17 mm	1.5 V
B			plötugjafi í eldri útvarpsviðtækjum	ferhyrndur strendingur ýmsar stærðir, oft með hnappúttök.	45 V, 60 V, 90 V, o.s.frv.
C			netforspennugjafi í eldri útvarpsviðtækjum	ferhyrndur strendingur ýmsar stærðir, oft með fleiri en eitt hnappúttak.	4.5 V, 6 V, 9 V, o.s.frv.
C	LR14	14A	R14,UM2,MN1400,HP11,baby	sívalningur L 43 mm, Þ 23 mm	1.5 V
D	LR20	13A	R20,MN1300,UM1,HP2,mono	sívalningur L 58 mm, Þ 33 mm	1.5 V
F				sívalningur L 87 mm, Þ 32 mm	1.5 V
G				sívalningur L 105 mm, Þ 32 mm	1.5 V
J				sívalningur L 150 mm, Þ 32 mm	1.5 V
	3R12		GP312S	ferhyrndur strendingur 67 mm × 62 mm × 22 mm	4.5 V
			ljósker,996	ferningslaga strendingur 68 mm á kant × 115 mm	6 V (ath.)
PP3	6LR61	1604A	6F22,6R61,MN1604, 9-volt	ferhyrndur strendingur 48 mm × 25 mm × 15mm	9 V (ath.)
PP9	6F100	1603		ferhyrndur strendingur 51.6mm × 65.1 mm × 80.2 mm hár	9 V (ath.)
	4R25X	908	útvarp,MN908	ferningslaga strendingur 110 mm hár × 67.7 mm á kant, gormaúttök	6 V (ath.)
	4R25	915	útvarp	ferningslaga strendingur 110 mm hár × 67.7 mm á kant, skrúfuúttök	6 V (ath.)
	4LR25-2	918A	MN918	ferhyrndur strendingur 127 mm × 136.5 mm × 73 mm hár, skrúfuúttök	6 V (ath.)
			útvarp,ljósker,PC926	ferhyrndur strendingur 127 mm × 136.5 mm × 73 mm hár, skrúfuúttök	12 V (ath.)

Ath.: 6 V, 9 V, og 12 V rafhlöður eru oft gerðar úr fleiri en einni 1.5 V sellu sem eru raðtengdar. Sjá rafefnafræðileg sella.

Gildandi evrópskur staðall er IEC 60086-1 Aðalrafhlöður - 1. hluti: Almennt (BS397 Í Bretlandi).

Gildandi bandarískur staðall er ANSI C18.1 Bandarískur landsstaðall fyrir þurrsellur og rafhlöður - Tilgreiningar.

Ítarlegt safn greina um margar hliðar rafhlaðna og notkun þeirra í meðbærum tækjum má nálgast á Buchmann.ca

Yfirlit

Einnota

Endurhlaðanlegar

Rýmd rafhlöðu

Geta rafhlöðu til að geyma hleðslu er oft táknuð með amperstundum (1 A·h = 3600 kúlomb). Ef rafhlaða getur gefið eins ampers straum í eina klukkustund hefur hún rýmd upp á 1 A·h. Ef hún getur gefið 1 A í 100 klst., þá er rýmd hennar 100 A·klst. Á sama hátt jafngilda 20 A í 2 klst. 40 A·klst. rýmd.

Meðan segja má að rafhlaða sem getur gefið 10 A í 10 klst. hafi rýmd upp á 100 A·klst., þá framkvæma framleiðendur flokkunina ekki þannig. Rafhlaða sem flokkuð er sem 100 A·klst. mun sennilegast ekki gefa 10 A í 10 klst. Rafhlöðuframleiðendur nota staðlaða aðferð við að flokka rafhlöður sínar. Flokkunin byggist á prófunum sem fara fram í 20 klst. með afhleðsluhraða upp á 1/20 (5%) af væntri rýmd rafhlöðunnar á klukkutíma. Þannig er rafhlöðu sem flokkuð er sem 100 A·klst. ætlað að gefa 5 A í 20 klst. Nýtni rafhlöðu fer eftir afhleðsluhraðanum. Þegar rafhlaða afhleðst við 5% afhleðsluhraða á klst. nýtist orka hennar betur en ef hún afhleðst hraðar.

Til að reikna út 5% afhleðsluhraða rafhlöðu skal taka amperstundaflokkun framleiðandans og deila í hana með 20. Segjum t.d. að AA-sella sé flokkuð sem 1300 mA klst. (milliamperstundir). 5% afhleðslustraumurinn sem þessi flokkun er leidd út frá er þá 1300 mA·klst. / 20 klst. = 65 mA.

Sprenging í rafhlöðu

Við óheppilegar aðstæður geta rafhlöður sprungið, t.d. ef þær ofhitna vegna skammhlaups. Slík sprenging er yfirleitt afleiðing mannlegra mistaka (svo sem ef einnota rafhlaða er endurhlaðin eða rafgeymi úr bíl er skammhleypt) eða bilunar í rafhlöðunni.

Í bílarafgeymum er líklegast að sprenging eigi sér stað þegar honum er skammhleypt þannig að mjög mikill straumur myndast. Skammhlaupsbilun í rafgeymi sem er hliðtengdur öðrum rafgeymum (t.d. með startköplum) getur valdið því að næsta rafgeymir við losi hámarksstraum yfir í bilaða rafgeyminn sem veldur þá ofhitnun og hugsanlega sprengingu. Þegar bílarafgeymar eru endurhlaðnir losa þeir auk þess vetni sem er hásprengifim lofttegund. Magnið er venjulega mjög lítið og dreifist fljótt. Þegar hins vegar rafgeymir er tengdur öðrum með startköplum getur hár straumurinn valdið hraðri losun vetnis sem getur síðan kviknað í út frá neista (svo sem þegar startkaplarnir eru fjarlægðir).

Þegar einnota rafhlaða er endurhlaðin hratt kann sprengifim blanda vetnis og súrefnis að myndast hraðar en hún getur losnað út úr rafhlöðunni, sem veldur hækkun þrýstings og mögulega sprengingu. Í verstu tilfellum kann rafhlöðusýran að sprautast af krafti út úr rafhlöðuumbúðunum og valda líkamstjóni.

Sé rafhlöðu fleygt í eld kann það einnig að valda sprengingu vegna gufumyndunar inni í lokuðum umbúðum rafhlöðunnar.

Ofhleðsla, sem er það að hlaða rafhlöðu umfram þá raforku sem hún ber, getur einnig leitt til þess að hún springi, leki eða skemmist varanlega. Hún kann einnig að valda skemmdum á hleðslutækinu eða tækinu sem ofhlaðna rafhlaðan er síðar notuð í.