סוללה חשמלית

מגוון סוללות חשמליות (מכיוון שמאל למעלה לכיוון ימין למטה): שתי סוללות AA, סוללת D, סוללת מכשיר קשר, שתי סוללות PP3, שתי סוללות AAA, סוללת C, סוללת מצלמת וידאו, סוללת טלפון סלולרי

סוללה או בטריה או "מצבר" (מאנגלית: Battery) היא מתקן לייצור חשמל בזרם ישר. הסוללה מורכבת מ"תא חשמלי" אחד או יותר.

ה"תא החשמלי" הנפוץ כיום הוא תא אלקטרוכימי (מכונה גם "תא וולטאי" או "תא גלווני"), שבו החשמל מופק כתוצאה מתהליך כימי (העברת אלקטרונים בין שתי אלקטרודות המחוברות לחומרים שלהם הבדל פוטנציאלי חמצון-חיזור). תא חשמלי העובד בצורה הפוכה הוא תא אלקטרוליטי. בתא זה מגיע חשמל ממקור חיצוני, וגורם לתהליך כימי. "סוללה נטענת" משלבת למעשה תא אלקטרוכימי להפקת חשמל, ותא אלקטרוליטי ל"השבת" אנרגיה לסוללה באמצעות שינויים כימיים, לצורך המשך הפקת החשמל.

סוג נוסף של תאים חשמליים הם תאי דלק, תאים גרעיניים ועוד. ערך זה דן בסוללות האוצרות אנרגיה באופן כימי בלבד.

היסטוריה של הסוללה

הראשון שבנה סוללה חשמלית היה אלסנדרו וולטה (1745 - 1827). הוא בנה את "תא וולטה" (תא נוזלי).

המצאתו של וולטה אפשרה למדענים בימיו לחקור את תכונות החשמל ויכולותיו.

הסוללה החשמלית הראשונה הייתה תא שבתוכו היו ערוכים לסירוגין, בזה אחר זה, לוחות עשויים אבץ ונחושת: לאחר לוח אבץ בא לוח נחושת ואחריו שוב לוח אבץ, וכן הלאה. לוחות אלה הם האלקטרודות (האנודה והקתודה). הן מופרדות זו מזו בשכבות של חומר נקבובי, רווי באלקטרוליט, לרוב תמיסה של חומצה גופרתית מהולה. כל תא כזה ובו לוח אבץ, לוח נחושת וביניהם אלקטרוליט הוא תא חשמלי העומד בפני עצמו, וניתן לחברו לתא הבא אחריו בטור, ליצירת מתח חשמלי גבוה יותר.

לרוע המזל, התברר שלאחר שימוש ממושך בסוללה, מצטברת על האלקטרודות שכבה של גז המבודדת אותן מבחינה חשמלית.

המצאת הסוללה היבשה

כדי להתגבר על בעיה זו, המכונה "קיטוב", המציא הצרפתי ז'ורז' לקלנשה את "הסוללה היבשה" בשנת 1867. בסוללה היבשה עשויה האלקטרודה השלילית (הקתודה) אבץ והיא מהווה את מארז הסוללה, ואילו האלקטרודה החיובית (האנודה) עשויה מוט של גרפיט הקבוע במרכז הקופסה. מוט הגרפיט מוגן בתערובת על בסיס דו-תחמוצת המנגן, המונעת קיטוב. האלקטרוליט בסוללה זו הוא תערובת של כלוריד האבץ וכלוריד האמוניום. כולו מבודד בעטיפה העשויה חומר מבודד שאינו מאפשר את מעבר הזרם החשמלי אלא בתיל המתכת. על העטיפה מולבש שריון מתכת שמטרתו העיקרית למנוע את דליפת האלקטרוליט. דליפה זו עלולה להתרחש עקב הצטברות גזים בתוך הסוללה שלחצם פורץ את המעטפת.

מבנה הסוללה

בסוללה יש שלושה מרכיבים עיקריים:

1. קתודה - (קוטב חיובי) שבה מתרחש תהליך חיזור, שבו נקלטים אלקטרונים מהמעגל החיצוני (צרכן החשמל).
2. אנודה - (קוטב שלילי) שבה מתרחש תהליך חמצון, שבו נמסרים אלקטרונים למעגל החיצוני.
3. אלקטרוליט - תווך המפריד בין האנודה לקתודה ומאפשר את יצירת הפרש הפוטנציאלים ביניהן. הוא מכיל בסיס או חומצה או סוג של מלח.

כיצד פועלת הסוללה

המגע בין האלקטרוליט לבין שתי המתכות השונות גורם לתגובה כימית המתבטאת בנדידת יונים דרך תמיסת האלקטרוליט. אם מחברים את שני הלוחות החיצוניים זה לזה בחוט תיל ממתכת המוליכה חשמל, יתהווה בסוללה זרם חשמלי. המטענים החשמלים שנושאים איתם האלקטרונים הנודדים מלוח ללוח בתוך הסוללה יזרמו דרך חוט המתכת. את התיל הזה המכוסה שכבה של חומר מבודד מחברים למכשיר שרוצים להפעילו בזרם החשמלי.

סוגי סוללות

סוללת ליתיום

סוללה ראשונית

סוללה מסוג זה היא סוללה המיוצרת במצב טעון, במטרה להיות בשימוש חד פעמי. אף על פי כן, ישנם מטענים מיוחדים אשר יכולים לבצע תהליך של ריענון, ולטעון גם סוללות מסוג זה. חשוב לציין שמסוכן ואסור לנסות לטעון סוללות ראשוניות במטענים רגילים של סוללות משניות.

• סוללת אבץ-פחם - הסוג הפשוט והזול ביותר של סוללות. האלקטרודות עשויות אבץ ומנגן דו-חמצני (שהחיבור אליו נעשה באמצעות מוט פחם) והאלקטרוליט הוא תערובת של אמוניום כלוריד ואבץ כלוריד.
• סוללת אלקליין - סוללה זו היא מהשכיחות ביותר במכשירי חשמל קטנים. האלקטרודות עשויות מנגן ואבץ. האלקטרוליט הוא בסיס חזק הנמצא לעתים קרובות בלחץ ולכן מסוכן לפרק סוללה מדגם זה.
• סוללת כספית - האנודה שלה עשויה אבץ והקתודה עשויה תחמוצת הכספית והאלקטרוליט הוא מימת האשלגן. היתרון של סוללות אלו טמון בעמידותן הרבה הן מסוגלות לספק מתח חשמלי במשך זמן רב.
• סוללת כסף-אבץ - סוללות אלו ידועות גם כ"סוללות כפתור". סוללות אלו יקרות ליצור בגלל רכיב הכסף שבהן. אך נפוצות בממדים קטנים מאוד או ביישומים צבאיים, בהן למחיר יש פחות משמעות. האלקטרודות עשויות אבץ וכסף חמצני.

סוללה שניונית

מילוי סוללת מכונית במים מזוקקים

סוללות ניקל מטאל הידריד (NiMH) נטענות במטען

סוללה המיועדת לטעינה ופריקה רב פעמית. עלויות היצור של סוללה מסוג זה גדולות יותר מסוללה ראשונית, אך עלות השימוש בה בטווח הארוך, זולה יותר, בגלל האפשרות לטעון מחדש את הסוללה.

• תא עופרת-חומצה - המצבר המצוי במכוניות הוא למעשה סוללה נטענת המכילה בדרך כלל 6 תאים עבור מתח עבודה של 12 וולט, האלקטרודות שבו עשויות עופרת והאלקטרוליט שבו הוא חומצה גופרתית מדוללת במים.
• תא ניקל קדמיום - האלקטרודות עשויות ניקל וקדמיום והטענתן נעשית על ידי הזרמת זרם חשמלי דרכן והוא מפרק את התרכובות הכימיות שנוצרו בעת פעולתן. עם פיתוחו של תא ניקל מטאל הידריד פחת השימוש בתאי ניקל קדמיום ממספר סיבות: רעילות הקדמיום, קיבולת נמוכה, יש לפרוק את הסוללה לפני הטענתה כדי להתגבר על התופעה של "זיכרון מחזור העבודה" המקטין את הקיבולת שלה, וכן אורך החיים הקצר. (תא אחד לא תקין במארזים שהכילו מספר תאים גרם לכך שכל המארז לא עבד וכן הוא היה מקלקל תאים אחרים בניסיונות של פריקה וטעינה של המארז.)
• סוללת ניקל מתכת-הידריד (NiMH) - דגם זה הוא השכיח ביותר מבין הסוללות הנטענות במכשירי חשמל קטנים. האלקטרודות עשויות ניקל ותערובת של מתכות. האלקטרוליט הוא בסיס חזק.
• סוללת ליתיום-יון, וסוללת ליתיום-פולימר, הן סוללות קטנות ודקות במיוחד המיועדות למכשירים חשמלים קטנים במיוחד כמו טלפונים ניידים ומצלמות. סוללת ליתיום יון תעשייתית מורכבת מקתודת LiCoO₂ ומאנודת גרפית כאשר יוני הליתיום יוצאים מהקתודה, בעוד הקובלט משנה את מצב החמצון שלו, ונכנסים בין שכבות הגרפית בתהליך שנקרא פריקה, בעוד יציאתם מהגרפית וחזרתם למבנה תוך שיחרור של אלקטרונים נקרא טעינה. הספקן החשמלי של סוללות אלו כ300% יותר מאשר סוללות ניקל קדמיום וניקל מתכת-הידריד.

הסוללות מגיעות בגדלים שונים, במתחים שונים וצורות שונות, רובן עגולות.

קיבולת האנרגיה של סוללה

קיבולת האנרגיה של סוללה נמדדת ביחידות של Ah (אמפר שעה). כלומר, סוללה שכתוב עליה שהיא בעלת קיבולת של 1Ah מציין שהיא מסוגלת לספק זרם של אמפר אחד למשך שעה אחת. לדוגמה, מכשיר אלקטרוני שצורך 100mA, וניזון מסוללה שהקיבולת שלה 1300mAh, ירוקן את הסוללה תוך 13 שעות עבודה. בפועל, חישוב זה הוא פשטני למדי שכן בפועל, כאשר סוללה קרובה להתרוקן, יורד בהדרגה גם המתח בין הדקיה.

ראו גם

• מיחזור
• תא אלקטרוכימי
• אלקטרוכימיה
• אלסנדרו וולטה
• מקור מתח
• GP
• מערכת ניהול סוללות
• סוללת מתכת אוויר
• רכב חשמלי מונע מצבר
• "סוללת בגדד"

קישורים חיצוניים

• ד"ר אמיר בן-שלום, כימיה מחושמלת, אתר מט"ח
• אסתר אלסטר ומצליח בבאי, כיצד מייצרים תא חשמלי, אתר סנונית
• בלדד השוחי, כיצד פועלת בטריה?, באתר נענע 10
• בלדד השוחי, למה עדיף לשמור בטריות במקרר?, באתר נענע 10
• המלצות לטיפול בסוללות למכשירים אלקטרוניים, אתר BNC
• אלכס פסקו, על מצברים ומטענים, אתר ג'יפולוג
• מדריך לסוללות - מתאר את מאפייני סוגי הסוללות השונים