Az első villamos elemet 1800-ban mutatta be gróf [Alessandro Guiseppe Antonio Anastasio Volta]? olasz vegyész és fizikus, az ő tiszteletére nevezték el Volta-elemnek. Ez az elem két különböző fémlapból állt, ezek voltak az elektródák, melyek egymástól papírral voltak elválasztva. Az elektródákat belemártották elektrolitikus közegbe, mely sósvizes oldat volt, és a vegyi reakció megindította a két fémlap között az elektronokat, s azok mozgása eredményezte a villamos áramot. Ez a működési alapja a mai elemeknek is, de a kutatások eredményeként, valamint a gyártási technológia fejlődésével az elemek elektromos teljesítménye a többszörösére nőtt.
Az elemek kémiája
Az elemek olyan áramforrások, amelyek elektrokémiai úton állítanak elő elektromos áramot, vagyis elektrokémiai áramforrások.
Elektromos áramot termelő kémiai reakció:
Ha hígított kénsavban réz- és horganylemezt helyezünk el, a vegyi hatás következtében a rézlemezből elektronok lépnek ki a kénsavba, így a réz pozitív töltésűvé válik. A horganylemez viszont elektronokat vesz fel a kénsavból, így negatív töltést kap. A galvánelem e töltéseket szétválasztó hatása az elektromotoros erő. A szétvált különnemű töltések vonzzák egymást, de a galvánelemen belül – az elektromotoros erő szétválasztó hatása miatt – nem tudnak kiegyenlítődni.
Ha azonban a galvánelem kapcsait egy vezetővel összekötjük, a vezetőben lévő elektronokra, ill. ionokra a kapcsok töltésének megfelelően vonzó-, ill. taszítóerő hat, így a vezetőben villamos áram alakul ki. Az áramló villamos töltések munka végzésére alkalmasak, azaz az elem a benne felhalmozott vegyi energiából villamos energiát állít elő. A két elektródból és egy vagy több elektrolitból álló rendszert a jelenséget megfigyelő olasz orvos, Galvani neve után galvánelemnek nevezzük.
A felhasznált fémek szerint többféle galvánelem ismert.
A nem újra tölthető elemek a szén-cink elemek (azaz a nehéz elemek), alkalikus elemek és a lítiumos elemek.
Technikai fogalmak
- A kapacitást mAh-ban (milliamperórában) mérik, ez a mérőszám mutatja, hogy mennyi energiát tud tárolni az elem, azaz mennyi ideig tudja árammal ellátni a rendszert. 1 mAh-es elem 1 óra alatt legkevesebb 1 milliAmpert tud leadni.
- Amperrel – Amp – mérik, milyen erős az áram, ezzel jelzik, mennyi energiát tud kiadni az elem.
- A feszültséget Volt-ban mérik. Ez jelzi, mekkora erőt fog kapni a fogyasztó. A magasabb feszültség a motort gyorsabban hajtja és/vagy nagyobb rugót tud mozgatni.
- Minden elemnek van belső ellenállása – Ohm –, ami limitálja az energiát, amit kiad. Az elem, alacsonyabb belső ellenállással mindig jobb hatékonyságú. Az ellenállás az, ami megakadályozza vagy lassítja az elektronok áramlását. Az alacsonyabb ellenállás mindig jobb teljesítményt okoz.
„Gondolj az elemre, mit egy vizes ballonra. A mAh méri, mennyi víz van a ballonban. A feszültség mutatja meg, milyen nagy a nyaka a ballonnak. Az Amper mondja meg, milyen nyomás van a ballonban. Az ellenállás méri, mennyire nehezíted meg, hogy kijöjjön a víz a ballonból. Tehát több vagy kevesebb mAh több vagy kevesebb vizet jelent. Azaz azt mutatja meg, mennyi vízzel dolgozunk. A feszültség mondja meg, mennyi vizet tudunk kiengedni a ballonból egy időben. Nagyobb nyak több vizet enged ki egy időben. Nagyobb vagy kisebb Amper méri, milyen gyorsan jön ki a víz a ballonból. Nagyobb nyomás a ballonban azt eredményezi, hogy több víz jön ki egy adott időn belül. Az ellenállás a nyakán a ballonnak lassítja a víz kifolyását. Kisebb ellenállás több vizet enged ki a ballonból.
A milliamperóra azt mutatja meg, hogy mekkora amperszámot ad le egy óra alatt. Például a 3000 mAh-s elem 3 ampert tud szállítani (1 Amper = 1000 milliamper) egy óra alatt folyamatosan, 6 ampert 30 percig vagy 1,5 ampert 2 óráig. Az elemek általában meg vannak jelölve „/20 H", ami azt jelenti, hogy mire vannak tervezve, például a 3000 milliamper/ 20 H, azt jelenti, hogy 150 milliampert szállít 20 óráig.”
Egyszer használatos, eldobható elemek
A legismertebb galvánelem-típust Georges Leclanché francia kémikus 1866-ban készítette el.
Leclanche, vagy szén-cink szárazelem:
A legalapvetőbb elem a nem tölthető, egyszeri használatra alkalmas cink alapú ceruzaelem (szén-cink elem, nehézelem, Mignon-elem).
A szén-cink elem a legrégebben forgalomban levő, 1870 - 90 körül kifejlesztett egyszerű felépítésű szárazelem típus. Viszonylag alacsony kapacitású, de alacsonyabb az ellenállása, mint az alkáli elemeknek ezért több áramot tud szállítani. Jellemzően nagyon hamar kimerül és nem újrahasznosítható.
Ezeknél az elemeknél a burok cinkből van, mely egyben a negatív elektróda is, a pozitív elektróda az szénrúd, mely a cinkburokban lévő savas pép (elektrolit) közepében helyezkedik el. Teljesítménye kicsi, a másik negatívuma pedig, hogy az elektrolitban lévő sav kimarhatja a cinkburkot, a kifolyt sav pedig megkárosíthatja az elektromos gépezetünket.
Általános felépítése és tulajdonságai:
Feszültség: 1,5 volt (cellánként)
Anód: cink (Zn) (a henger alakú tartály)
Katód: mangán-dioxid (MnO2) egy szénrúddal a közepén. (A jobb vezetőképesség érdekében szénport is kevernek hozzá.)
Elektrolit: ammónium-klorid vagy cink-klorid oldat
Alkáli (AA) elemek:
Először 1950-ben jelent meg a kereskedelemben egy a Lechlanche elemhez hasonló, de elektrolitként vezetőképesebb KOH (kálium-hidroxid) oldatot tartalmazó elem. Ennek kisebb a belső ellenállása, ezért nagyobb mértékű kisütést tesz lehetővé. A kálium, mint alkáli fém adta meg a típus nevét, alkáli elem.
Általános felépítése és tulajdonságai:
Ház - típustól függő bevonatú fém, amely a vegyi anyagokat tárolja, és mint pozitív gyűjtő pólus szolgál.
- Pozitív csúcs - kidomborított fém rész, amely az elem pozitív végét jelzi.
- Külső borítás - műanyag borító, amely az elem adatait és dekoratív nyomatot tartalmazhat.
- Elválasztó - porózus nem-szövött rostos anyag, amely az elektródákat elválasztja, az elektrolitot tartja az elektródák között.
- Elektrolit – típustól függő oldat, amely az ion áramlását biztosítja az elemen belül.
- Katód – típustól függő kémiai anyag, amely az elektronokat felveszi a belső áramkörből.
- Anód – típustól függő kémiai anyag, amely mint elektronforrás szolgál.
- Anód kollektor – típustól függő kémiai anyag, amely az elektronokat az anódtól a külső áramkörhöz vezeti.
- Tömítés/Szellőző - fröccsöntött műanyag tárcsa, amely a belső összetevőket az elemen belül tartja és elengedi a belső nyomást, ha az elem túlterhelődne.
Tulajdonságok
Feszültség: 1,5 volt (cellánként)
Anód: cink (Zn) por
Katód: mangán-dioxid (MnO2)
Elektrolit: kálium-hidroxid oldat valamilyen gélszerű formában.
Az alkáli elemeknek nagyobb kapacitásuk van, mint a szén-cink elemeknek, de nagyon nagy a belső ellenállásuk, ezért ezek az elemek nem tudnak magas feszültséget hordozni. A magas belső ellenállásuk azt eredményezi, hogy terhelés alatt leesik a teljesítményük. Az elemek nominális feszültsége 1,5 Volt, de nagy terhelés esetén ez 1,2 Volt alá is leeshet. Ezért van az, hogy nagy teljesítményű eszközök inkább NiCd-s vagy NiMh-s elemekkel működnek, mint alkáli elemekkel. Ezek az eszközök magasabb feszültséget kapnak az újratölthető elemektől, mint az alkáliaktól (0,3 Volttal többet cellánként legalább). Az alkáli elemeknek teljesen más kisülési grafikonjuk van, a NiCd-s vagy NiMh-s elemekkel ellentétben stabilan lefele hajló a teljesítménygörbéjük. Ez azt jelenti, hogy előállításukkor, illetve használatba vételkor fogják a legjobb teljesítményüket adni és használat közben folyamatosan veszítenek erejükből.
Előnyük a szén-cink elemekkel szemben, hogy hosszabb ideig megőrzik kapacitásukat és kevésbé hajlamosak az elektrolit „szivárgására”. Valamivel drágábbak, de biztonságosabbak. Fő alkalmazási területük a kisebb elektronikus eszközök áramforrásai, de nagyobb áramfelvételű eszközök, pl. villanó lámpák (vakuk), elektronikus fényképezőgépek táplálására is alkalmasak.
Léteznek higany-oxid (HgO) vagy ezüst-oxid (Ag2O) aktív katódot tartalmazó alkáli elemek is.
Ezek a felhasznált anyagok miatt drágábbak, viszont nagyobb kapacitásúak. Nehézfém tartalmuk miatt azonban erősen környezetszennyezőek. A legjobb minőségű és egyben a legdrágább nem tölthető elemek a lítium elemek. A lítium cellás elemeknek van a legnagyobb kapacitásuk, de az anyaghasználat és a teljesítmény látszik az árukon is. Sokkal könnyebbek, és több áramot is tartalmaznak társaiknál, 1,7 Voltot cellánként.
Ezek közé tartoznak a gombelemek, melyek a karórák vagy hasonló kisméretű elektromos szerkezetek tápegységei, de tartalék áramforrásként is szokták használni őket a tölthető elemek lecserélésére, mivel elég nagy a terhelhetőségük, és károsodás nélkül kibírják a rövid ideig tartó nagy megterhelést.
A szárazelem veszélyes hulladék, nehéz- és egyéb fémeket, savakat tartalmazhat; meg kell akadályozni, hogy a kommunális szemét közé, talajba, tűzbe vagy vízbe kerüljön!