Razvoj in zgradba baterij

Kratka zgodovina razvoja baterij za slušne aparate

Prve slušne aparate so poganjale baterije proizvajalca Leclanche.  V prvotnem stanju je bil galvanski člen baterije v tekočem stanju (elektrolit), kasneje pa v trdnem (bilo je potrebno le toliko vlage, da je stekel tok). To je omogočalo nemoteno premikanje brez razlivanja kemikalij, kar pomeni, da so bile baterije primerne za prenosne naprave kot so slušni aparati. Edina rešitev prvotnih slušnih aparatov je bila uporaba dveh baterij skupaj. Konstrukcija obeh je bila zelo velika in uporabnik je moral nositi slušni aparat z baterijama pričvrščeno na telo. Za katodo se je uporabljala ena baterija (med 1.5 do 3 volti) in druga baterija (22.5, 45, 90 volti), ki je nudila moč na anodni strani cevi. Baterije so bile sestavljene iz cinka in ogljika, ki pa sta bila precej neučinkovita. Baterije so bile zelo velike, tehtale so namreč tudi do enega kilograma in so bile večinoma večje od samih slušnih aparatov. Kljub temu je bil čas delovanja zelo kratek.

Na spodnji sliki je primer slušnega aparata, ki ga je uporabnik nosil na telesu in ponuja razmerje velikosti med slušnim aparatom in baterijami.

V 50. letih 20. stoletja nam je tehnološki napredek prinesel tranzistorje, ki so bili veliko manjši in so potrebovali manjšo moč za delovanje, zaradi česar se je zmanjšala velikost baterij. Zmanjšana velikost tranzistorja in baterij je omogočila velike korake naprej v miniaturizaciji slušnih aparatov. Kljub temu pa so znanstveniki naleteli na novo težavo. Manjše baterije so pomenile manjšo voltažo, zato so jih začeli polniti s srebrovim oksidom, s katerim so dosegli večjo moč. Ker je bila cena srebra v tistem času zelo visoka, je bilo izdelovanje takšnih baterij zelo drago, kar je vplivalo na končno ceno baterij.

Srebro je kmalu zamenjalo živo srebro, saj ima podobne elektromagnetne sposobnosti, vendar je cenejše. Potrebna je bila prilagoditev vezij v slušnih aparatih, ki so imela več komponent, niso pa potrebovala toliko moči za napajanje. Življenjska doba baterij se je začela podaljševati.

Ob koncu 70. let je na trg prišel nov tip baterij in sicer Cink-Zrak baterije. Omogočale so dvakratno življenjsko dobo živo-srebrnih baterij. Zaradi nevarnosti za zdravje in okolje, ki jih povzroča živo srebro, so proizvodnjo starih baterij kmalu opustili. Tako od leta 2011 v baterijah ne najdemo več živega srebra.

Osnove baterij

Zelo pomembno je, da razmišljamo o baterijah za slušne aparate. Zakaj? Baterije so najbolj praktična rešitev, ko gre za napajanje manjših elektronskih naprav vseh vrst. Polnilne baterije so prisotne v našem vsakdanjem življenju, na voljo so za skoraj vsako napravo, a se zelo redko uporabljajo. Približno 1,4 milijarde baterij za enkratno uporabo se vsako leto odloži v odlagališče elektronski naprav. Po drugi strani pa je v teku trend vse večje okolijske ozaveščenosti in uporabe “zelenih” tehnologij.

Uporabniki slušnih aparatov z zanimanjem spremljajo razvoj, enostavno uporabo in možnost dolgoročne uporabe baterij. Raziskave kažejo, da vsaj 80 odstotkov uporabnikov slušnih aparatov želi baterije, ki bodo zdržale dlje časa, polovica pa si želi tudi lažje menjave samih baterij. Le dve funkciji slušnih aparatov (daljinsko upravljanje in pa sprememba glasnosti slušnega aparata) sta bili razvrščeni tako visoko v željah uporabnikov, kar nam podari dober vpogled v to, kaj si uporabniki slušnih aparatov najbolj želijo.

V nedavnih raziskavah so potencialne uporabnike slušnih aparatov vprašali, kaj smatrajo kot najbolj privlačno funkcijo slušnih aparatov prihodnosti. Aparati za polnjenje oziroma baterije za polnjenje so dobile več glasov kot katerakoli možnost brezžičnega povezovanja ali digitalna funkcionalnost. To ne preseneča, saj polnilne baterije ponujajo številne prednosti kot so:

  • Večje udobje in enostavna uporaba: Ni se potrebno vsakodnevno ukvarjati z majhnimi baterijami. Slušne aparate bi lahko preprosto vstavili v polnilnik preko noči, kar bi bilo zelo dobrodošlo tudi za tiste, ki nimajo občutka v rokah.
  • Okolju prijazno: V obdobju treh let dva slušna aparata v povprečju izpraznita okoli 300 baterij. Dve litij-ionski polnilni bateriji bi zlahka nadomestili navadne baterije pod enakimi pogoji.
  • Denarnici prijazno: Strošek ene cink-zrak baterije je v povprečju okoli enega evra. Če predpostavimo, da običajni uporabnik nosi dva slušna aparata in menja baterije enkrat na teden, lahko stroški baterij v triletnem obdobju znesejo okoli 300 evrov.
  • Udobje: Ni potrebe po nakupu baterij, ni skrbi, kdaj se bodo izpraznile in težav pri iskanju po predalih in policah.
  • Brezskrbnost: Ni več strahu, da se nam ne bodo baterije izpraznile sredi dneva in bomo ostali brez sluha na kakšnem pomembnem sestanku ali dogodku.

Delovanje baterij

Vse klasične in moderne baterije delujejo po enakem načelu, kot je prikazano na spodnji sliki. Navadno je baterija sestavljena iz vsaj štirih komponent:

  1. Anoda ali negativna elektroda oddaja elektron v zunanje vezje. Običajno gre za kovino, ki v procesu praznjenja oksidira.
  2. Katoda ali pozitivna elektroda sprejema elektrone, medtem ko je baterija povezana v električno vezje, zato v njej poteka redukcija. Običajno gre za kovinski oksid ali sulfid, lahko pa se uporabi tudi kisik (npr. v cink-zrak baterijah).
  3. Elektrolit je medij za prenos naboja v notranjosti med anodo in katodo. Med praznjenjem se atomi, katerim manjkajo elektroni, premikajo skozi elektrolit proti katodi.
  4. Pogosto je potreben separator med elektrolitom, da izolira območji med pozitivno in negativno elektrodo.

Na sliki so prikazani osnovni gradniki baterij. Vsaka baterija je sestavljena iz anode (donator elektronov), katode (prejemnik elektronov) in elektrolitom, ki omogoča prenos naboja. Sami elektroni ne morejo prosto potovati skozi elektrolit, zato so primorani potovati skozi električno vezje med kemičnim procesom kovinske oksidacije. Separator je včasih potreben, da fizično izolira prostor med katodo in anodo, ter prepreči kratek stik.

Ko je baterija popolnoma napolnjena, se višek elektronov v anodi spremeni v negativni naboj in manko v katodi v pozitivni naboj. Rezultat je znan kot električna napetost ali voltaža. Ko je tok sklenjen, presežek elektronov steče v zunanje vezje stran od anode (pri tem izgubi napetost) proti katodi, ki elektrone sprejme in pri tem nevtralizira pozitivni naboj.

Moč baterije ali njeno kapaciteto določa tip materiala, iz katerih sta izdelani anoda in katoda (npr. cink-baker, cink-zrak, nikelj-kadmij, litij-ion). Če v splošnem delimo baterije na primarne (za enkratno uporabo) in sekundarne (polnilne), so torej sekundarne baterije zmožne obratnega elektro-kemičnega procesa od praznjenja, to je polnjenje.

 

Cink-zrak baterije

Prve Cink-Zrak baterije so bile predstavljene javnosti v letu 1977. Leta 1986 je bila predstavljena baterija velikosti 10 (rumena), kar je proizvajalcem omogočilo razvoj majhnih slušnih aparatov.

Življenjska doba baterij za slušne aparate

Življenjska doba baterij za slušne aparate se giblje nekje med 5 in 14 dni, odvisno od velikosti baterije, ravni naglušnosti uporabnika, individualne rabe posameznika in porabe slušnega aparata. Navadno imajo manjše baterije krajšo življenjsko dobo kot večje, saj je v njih manj cinka kot v večjih. Spodaj na sliki je prikazana razlika med baterijo velikosti 13 in baterijo velikost 675. Vidimo, da je v bateriji 675 več cinka, kar posledično pomeni daljšo življenjsko dobo.

  • Velikost 10 (rumena) – 3 do 7 dni
  • Velikost 312 (rjava) – 3 do 10 dni
  • Velikost 13 (oranžna) – 6 do 14 dni
  • Velikost 675 (modra) – 9 do 20 dni

Uporabljajo se najpogosteje. Napetost se generira iz reakcije med cinkom in kisikom v zraku. Elektrode v bateriji so narejene iz cinka, elektrolit pa je tekoč in alkalen. Kisik v baterijo pride skozi majhne odprtinice na pozitivni stani baterije. Zaradi tega se začne proizvajati električni tok (od trenutka, ko odlepimo nalepko na bateriji). Istočasno se baterija prazni ne glede na to, ali jo uporabnik uporablja ali ne. Takšna kemična reakcija proizvede okoli 1.35–1.4 V moči pri standardnih oblikah baterij. Dolžina uporabe takšne baterije je okoli dveh tednov, hkrati pa se čas zmanjšuje glede na nastavitev slušnih aparatov. Potem, ko neha proizvajati napetost, baterija ni več uporabna. V primerjavi s podobnimi litij-ionskimi ali NiMH baterijami, ima baterija cink-zrak trikrat večjo kapaciteto, cena proizvodnje pa je zaradi nizke cene cinka na trgu surovin zelo majhna.

Prednosti:

  • Relativno visoka električna napetost
  • Poceni surovine
  • Konstantna napetostna raven skozi relativno veliko časa
  • Nizka stopnja praznjenja v zapečatenem stanju
  • Relativno dolgotrajna doba pri uporabi majhnih napetosti
  • Preverjena tehnologija

 

Prav tako ima baterija svoje slabosti, zaradi katerih je potrebno gledati na dolgoročne alternative. V kolikor se pečat (nalepka) odstrani, se prične proces praznjenja baterije. Na trajanje vpliva tudi visoka vlažnost in visoka temperatura.

Prerez skozi cink-zrak baterijo:

A: Separator B: Cink v prahu in elektrolit C: Pokrov anode D: Tesnilo (izolator)  E: Pokrov katode

F: Luknjica za zrak G: Katalizator in zbiralnik toka H: Enakomerno razporejena plast zraka

I: Polprepustna membrana

 

Uporaba baterij v prihodnosti

V zadnjem desetletju je bil v razvoju slušnih aparatov dosežen enormen tehnološki napredek na področju integriranih vezij in razvoju algoritmov za prepoznavanje glasov. Vse skupaj je vplivalo na porabo energije, kar pomeni, da so baterije za slušne aparate pomemben del razvoja ne samo proizvajalcev baterij, temveč tudi proizvajalcev slušnih aparatov in uporabnikov. Današnji uporabniki aktivno iščejo in zahtevajo rešitve, ki bodo prijazne okolju in bodo enostavne za uporabo. Danes so ponekod na trgu že na voljo polnilne baterije za slušne aparate, a je za zdaj glavna težava le teh v efektivnem polnjenju.

V kolikor vzamemo v obzir vse prednosti in slabosti baterij, največ obeta litij-ionska tehnologija, ki je najbolj prijazna okolju in skupaj s tehnologijo induktivnega polnjenja najbolj prijazna uporabnikom. Hkrati ustreza vsem predpisom.

Statistika, ki prikazuje prodajo baterij tekom let, ne skriva ničesar. Prodaja baterij narašča in potrebe trga so vedno višje. Nove integrirane baterije za mikroelektroniko s pomočjo zelo dobro razvite tehnologije izdelovanja tranzistorjev in mikročipov, prodirajo v sklepno fazo, kar bo v prihodnosti povečalo njihovo energijsko gostoto in omogočilo poganjanje mnogi miniaturnih naprav bistveno dalj časa, kot smo bili vajeni do sedaj.

V prihodnosti lahko pričakujemo:

  • Izboljšano kapaciteto baterij. Pričakujemo podvajanje kapacitete do leta 2025.
  • Nove oblike baterij. Glede na to, da Li-Ion baterije omogočajo izdelavo v različnih oblikah, bi znali proizvajalci narediti nova ohišja slušnih aparatov z že vgrajeno baterijo.
  • Hitro polnjenje. Naslednja generacija Li-Ion baterij, tako imenovani Litijevi polimeri, so se zmožni napolniti v 10-tih minutah, pri čemer ne producirajo veliko toplote ali škodljivih učinkov za baterijo samo.
  • Izboljšan življenjski cikel. Baterije prihodnosti naj bi imele življenjsko dobo 6 let ali več.
  • Uporaba obnovljivih virov. Da bi naredili uporabnike čim bolj neodvisne od ponudbe in da bi bili čim bolj ekološko ozaveščeni, bodo morda proizvedeni polnilniki na sončne celice, kot je to že na voljo pri pametnih telefonih.