Patareid eile, täna, homme…
Heino Pedusaar
03.04.2006

Tavakasutuses pole ilmselt kallimat energiat sellest, mida ammutatakse elektrokeemilise protsessi abil primaarelementidest – vooluallikatest, mida tavakeeles patareideks nimetatakse. Ja ometi on nendelgi voorusi omajagu, sest jätkuvalt kasutatakse koguni vanimat, 1860ndatest aastatest pärit süsteemi.

Keemilise vooluallika põhimõte on iidvana (enam kui nelja aastatuhande tagune arheoloogialeid, nn Bagdadi patarei; vt TM 1/2006). Hiljem ladus itaalia õpetlane Alessandro Volta kokku metallplaadikestest ja happes niisutatud vilditükikestest samba ning teavitas sellest 1800. aastal Royal Societyd, sest tema “aparaat” suutis anda katkematut elektrivoolu.

Patarei, element ja aku
Heal lapsel ikka mitu nime. Nii hakatigi esimesi, telegraafi- ja telefoniaparaatides ning hiljem ka taskulampides kasutatavaid toiteallikaid kutsuma patareideks. Kuid esmalt tuleks süüvida käibemõistesse patarei ja ühtlasi käesoleva artikli pealkirjas peituvasse terminoloogia-ebakõlasse. Tavakeeles sõnatakse patareideks igasugused ühekordselt kasutatavad, seega mitte-taaslaetavad keemilised elektrivooluallikad ehk primaarelemendid, kuigi õigupoolest tohiks nii öelda ainult mitme samasuguse ja omavahel kokkuühendatu kohta (vrd kas või mõistet õhutõrjepatarei, mis on ju "komplekt" mitmest kahurist). Teiselt poolt tuleb neid primaarelemente eristada taaslaetavatest sekundaarelementidest, niisiis akumulaatoritest ehk akudest. Aga tuleb vist käed üles tõsta…
Alessandro Giuseppe Antonio Anastassio Volta (1745–1827) oli mitmekülgne looduseuurija. Ta leiutas 1775. aastal hõõrdeelektri laenguid tekitava elektrofoori. Teaduri tegevusalasse asetus koguni gaasilise metaani avastamine. Aga elektripinge mõõtühik volt põlistas tema nime alatiseks.
Aastake pärast üsna algelisel viisil elektrinähtusi uurinud arsti ja bioloogi Luigi Galvani surma konstrueeris Volta elektrivooluallika. Füüsikateaduse algusaegadesse olid asetunud ainult katsed staatilise elektriga (kõrge pinge, kuid väga lühiajaline ja nõrk vool). Praktilist kasutamist see nähtus ei leidnud, kui mitte arvestada katset konstruktsioonilt eriti kohmaka, juba ette nurjumisele määratud elektrostaatilise telegraafiga (postide otsas omaette juhtmetraat iga tähemärgi jaoks!).
Volta sammas lubas teha juba midagi arukamat, pakkudes enneolematuid võimalusi elektromagnetismi uurimiseks ja koguni valgustamiseks (kaarlamp, 1802).
Selletaoliste keemiliste vooluallikate loomisel sai suunda seadvaks Georges Leclanché töö. Kunstide ja käsitöö kooli lõpetanu astus ametisse raudteele, kus vajati täpse kellaaja tõrgeteta edastamist jaamast jaama. See oli mõeldav ainult elektriliini ning patareide abil. Kuid need olid seniajani ütlemata ebakindlad ja tülikad kasutada. Leclanché sai patendi vask-süsipatarei kohta 1866. Aastal, aga tema tsink-mangaandioksiidelement (auraha Pariisi maailmanäituselt aastapäevad hiljem) võeti telegraafis jalamaid kasutusele.
Toonase Leclanché elemendi klaasanumasse asetatud süsiplaat (positiivne elektrood ehk katood) kaeti pulbrilise mangaanperoksiidi ja grafiidiga. Negatiivseks elektroodiks ehk anoodiks oli esialgu lihtsalt tsinkvarras. Mõlemad olid elektrolüüdis, tsinkkloriidi ja ammooniumkloriidi 20% vesilahuses.
Talitluskõlbliku vooluallika leiutamine sattus just ajale, kui telegraaf ja telefon hakkasid plahvatuslikult levima. Aga keskjaamas pidi patareisid varuks olema terve saalitäis ja iga abonendiaparaatki vajas vähemalt paari-kolme.

Primaarelementide tüübid
Eelneva taustal on tänapäev lausa lustipidu. Praegusel ajal on mittelaetavate ehk primaarelementide valik avar. Nii nende koostis kui ka kuju sõltub enamasti kasutuskohast, üheskoos määravad nad ka hinna.
Tsink-mangaandioksiidelemendi (ka tsink-süsi-) korpuseks ja ühtaegu negatiivseks elektroodiks on silindriline tsinkplekist anum. Positiivse elektroodi moodustab mangaandioksiidi ja grafiidi segusse asetatud söepulk. See poolteistsaja aasta tagune konstruktsioon on "klassikaliste" taskulambipatareidena kasutusel meie päevadeni.
Tsink-mangaandioksiidelemendi puuduseks on pinge kahanemine koormamisel. Samas sobib see toiteallikas selliste nõrka voolu vajavate seadmete nagu äratuskellad, kantavad raadiod jm toitmiseks, aga ka juhul, kui tugevamat voolu võetakse pikemate pauside tagant katkendlikult – andes elemendile vahepeal "puhkust" pinge taastamiseks.
Leeliselemendid (leelis-mangaandioksiidsüsteemid, märgistuseks reeglina Alkaline) on praegu levinumad ja ilmselt ka parimad. Katoodiks on siingi mangaandioksiidi ja grafiidi kokkupressitud urbne segu; see ümbritseb elektrolüüdina toimiva kaaliumhüdroksiidiga immutatud poorsest tsingipulbrist anoodi. Leeliselement on vastupidav ja hea töövõimega, seda saab kasutada ka üsna madalatel temperatuuridel ning kestval tugeva vooluga koormamisel. Nimipinge oleneb elektrokeemilisest süsteemist (liitiumelektroodi puhul on see tavakohasest 1,5 voldist tublijagu kõrgem).
Leeliselemendid ja -patareid on omataolistest vähemalt paar-kolm korda kallimad, kuid siiski tulusad kasutada, sest talletavad võrratult rohkem energiat. Silmas tuleks pidada, et kasutuseeskirja kohaselt tohib mõnes seadmes kasutada ainult leeliselemente. Muide, mõned meie kauplused reklaamivad neidsamu leeliselemente (Alkaline) millegipärast üsna vääralt kui mingeid alkaanpatareisid: alkaanidel, teatavatel küllastatud alifaatsetel süsivesinikel pole nende seadistega küll midagi ühist.
Liitiumelementides on anood liitiumist ja katood sarnaneb ehituselt tavalise leeliselemendi omaga, kuigi materjalid erinevad. Nimipinge on tavakohasest kõrgem, üle 3 voldi. Kasutada saab erinevaid keemilisi paare, näiteks Li ja MnO2, Li ja AgCrO4, Li ja Bi2O3 jt, kusjuures elektrolüüdiks on reeglina LiClO4 koos mitmesuguste orgaaniliste ühenditega.
Liitiumelementide isetühjenemine on praktiliselt olematu ja nii ka säilivus laitmatu. See lubab neid kasutada püsivat nõrka voolu vajavates seadmetes, nagu käekellades ja südamestimulaatorites, samuti tugipingeallikana mitmesugustes mälusüsteemides (olgu videokaamerates või -magnetofonides), kus toiteallika sage vahetamine on tülikas. Liitiumelemendi mahutavus on samade mõõtmete juures mitu korda suurem ja tööiga pikem kui muud tüüpi elementide enamik. Kasuks tulevad veel täiendavad voorused: näiteks säilitavad firma Panasonic foto-liitiumpatareid töövõime ka ekstreemsetes temperatuurides, väidetavalt –40 kuni +60 °C vahemikus.
Firma Panasonic sarja Ultralife eriti suure mahutavusega liitiumioonelemendid osutuvad laitmatult vastupidavateks toiteallikateks ja Ultralife HiRate® on lausa läbimurre kõrgkoormatavate vooluallikate tehnikas. Spiraalina mähitud elektroodid tagavad tühise sisetakistuse ja nii ka tugeva vooluga koormatavuse.
Elavhõbeoksiid-tsinkelementides (ka hõbeoksiid-tsinkelementides) on positiivseks elektroodiks vastava metalli oksiid koos grafiidipulbriga ja negatiivseks tsinkamalgaami kokkupressitud pulber, elektrolüüdiks kaaliumhüdroksiid. Mõlemat elektroodi eraldab poorne vahekiht. Nimipinge 1,34 V on üsna konstantne ka mõõdukal koormamisel. Seda konstruktsiooni saab miniaturiseerida näiteks nööpelementideks. Tänu napile isetühjenemisele on säilivus ideaalne. Paraku kahjustab elavhõbe loodust ja seda tüüpi toiteallikate tootmist kahandatakse otsustavalt.
Tsink-õhkelemendi keemilises tsüklis kasutatakse vahetult õhu hapnikku. Elektroodideks on tsink (–) ja poorsest aktiivsöest varras (+), elektrolüüdiks taas kaaliumhüdroksiidi lahus. Ehitusviisi ja tööpõhimõtte omapäraks on see, et süsivarras ei ulatu üleni elektrolüüti ja absorbeerib niimoodi reaktsiooniks vajalikku hapnikku vahetult õhust. Nende korpusel võib olla õhuauk, mis vallandatakse esimesel kasutuselevõtmisel.

(vt. ka “Elektrikonservid”, TM 1/06, ja “Akulaadurid”, TM 2/06)

Sarnased artiklid