Keemiline rakk muudab keemilise energia elektrienergiaks. Enamik patareisid on keemilised elemendid. Aku sees toimub keemiline reaktsioon, mis põhjustab elektrivoolu voolu. Keemilises muundamises on võtmerolliks redoks-reaktsioonidel: ühes elektrodis toimub oksüdeerumine (elektronide eraldumine) ja teises elektrodis vastuvõtmine ehk redutseerumine; elektronid liiguvad läbi välise vooluringi ja ioonid läbi elektroliidi, säilitades laengutasakaalu.

Kuidas kemikaalne rakk töötab

Igas patareis on kaks peamist osa: elektroodid (anood ja katood) ning elektroliit. Anoodist eralduvad elektronid oksüdeerumisel ja liiguvad välise vooluringi kaudu katoodi, kus need osalevad redutseerumisreaktsioonis. Elektroliit võimaldab ioonide liikumist elektroodide vahel, säilitades elektroneutraliteeti. Mõnel laboratoorsel galvaanilisel rakul on lisaks soolasilm (salt bridge), mis ühendab poolrakkude lahuseid ja võimaldab ioonide liikuvust ilma lahuseid segamata.

Tüübid – esmased ja teisased elemendid

  • Esmased (mitte-laetavad) patareid annavad elektrit kuni nende kemikaalid on ära kulunud. Pärast seda pole neid enam võimalik tööks taastada ja neid nimetatakse sageli "kasuta ja viska" patareideks. Näited: tavaline tsink-süsinikpatarei, alalisel kasutusel olevaid nöörpatareisid (button cells) sisaldavad lahendusi.
  • Teisased (laetavad) akud saab uuesti laadida, juhtides elektrivoolu tagurpidi läbi aku, mis pöörab keemilised reaktsioonid ja taastab elektroodide esialgse keemilise oleku. Neid akusid leiutas 1859. aastal prantsuse teadlane Gaston Plante. Tavalised näited on plii-aku (autodes), NiMH- ja liitiumioonakud.

Tuntud keemilised süsteemid ja rakendused

  • Alkaliinpatarei (1,5 V) – laialt kasutusel AA, AAA ja sarnastes formides; suurem energiasisaldus võrreldes vanemate tsink-süsinik patareidega.
  • Tsink-süsinik – odav, tavakasutuseks väiksema töömahuga seadmetes.
  • Plii-aku – raskem, aga suudab anda suurt voolu (käivitusvool), kasutatakse autodes ja varutoitesüsteemides; iga plii-aku element annab ~2 V.
  • NiCd (nikelkadmium) ja NiMH (nikkel-metallhüdriid) – korduvlaetavad, NiMH-il parem energiatihedus ja vähem mäluefekti võrreldes NiCd-ga.
  • Liitium-ioon (Li-ion) – kõrge energiatihedus ja pikk eluiga, kasutatakse nutiseadmetes, elektrisõidukites ja kaasaegsetes elektroonikaseadmetes; arendustööd hõlmavad paljusid teadlasi, oluliseks pöördepunktiks 1990ndate alguse kommertsialistumine.
  • Nutikasutus ja suured paigaldised – sõidukite akud, jälgimissüsteemid, taastuvenergia salvestus (tasakaalustavad päikese/tuule tootmist) ning Allveelaevad vajavad väga suuri patareisid.

Mõõtühikud ja peamised omadused

  • Pinge (V) – ühe raku nominaalpinge sõltub keemiast (näiteks alkaliin ~1,5 V, liitiumioon ~3,6–3,7 V).
  • Mahtuvus (Ah) – amperitundides mõõdetud laeng, mis näitab kui kaua aku suudab teatud voolu anda.
  • Energiasisaldus (Wh/kg või Wh/L) – kui palju energiat mahub massi- või ruumühikusse; oluline mobiilsete seadmete ja sõidukite osas.
  • Sisene takistus – mõjutab pingelangust koorma all ja soojuskaod; madal sisetakistus tähendab paremat võimekust anda suuri voole.

Ohutus, ladustamine ja keskkonnamõju

Patareide käsitsemisel tuleb järgida ohutusnõudeid: ära lühista klemmid, ära purusta ega kuumuta akut, väldi vedelike lekkimist. Liitium-ioonakudel on võimalus tekkida termilise jooksu (thermal runaway), mis võib põhjustada plahvatust või tulekahju, seetõttu on vajalikud kaitseelektroonika ja õige laadimistsükkel. Patareide õige kogumine ja taaskasutus on väga olulised – paljudes akudes on raskemetalle või muid ohtlikke aineid, mis võivad keskkonda kahjustada, kui neid valesti kõrvaldada. Ringlussevõtt võimaldab ka väärtuslikke materjale taastada.

Lühike ajalooline ülevaade

Galvaani ja volta ajalugu: 1700–1800. aastate teadustööd kuulsate teadlaste Luigi Galvani ja Alessandro Volta vahel viisid arusaamiseni elektrienergia ja bioloogiliste efektide seosest ning lõplikult Volta voltaapse torniga (voltaic pile) 1800. aastal demonstreeris esimest pidevat elektrivoolu. Sellest pärit terminit "galvaanielement" kasutatakse endiselt. 1859. aastal parandas ja leiutas korduvlaetava pliiakuga süsteemi prantsuse insener Gaston Plante, mis pani aluse kaasaegsetele akudele; hilisemad leiutised ja arendused (nt NiCd, NiMH, Li-ion) on jätkanud akutehnoloogia kiiret arengut ning võimaldanud ulatuslikku kasutust kaasaskantavas elektroonikas ja transpordis.

Patareisid on mitmesuguse kujuga ja suurusega, alates väga väikestest nupp-patareidest, mida kasutatakse kellades, kaugjuhtimispultides ja kaamerates, kuni autodes kasutatavate pliiakude või veelgi suuremate energiavarustussüsteemideni. Oluline on valida patarei sobiv keemia ja mõõtmed vastavalt seadme nõudmistele (pinge, mahtuvus, laaditsüklite arv, töötemperatuur ja ohutus).