סוללה חשמלית

סוֹלְלָה או בָּטֵרִיָּה (באנגלית: Battery) היא חפץ לייצור חשמל בזרם ישר. הסוללה מורכבת מ"תא חשמלי" אחד או יותר.

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

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 הטוען את הסוללה באנרגיה 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.

אטימולוגיה

המילה "סוללה" מוזכרת כבר בתנ"ך מספר פעמים בצד השורש ש-פ-כ: "שפיכת סוללה על העיר". רוב האזכורים מופיעים בהקשרים של המצורים על ירושלים ולכיש שערכו סנחריב מלך אשור (701 לפנה"ס) ונבוכדנצר מלך בבל (587–586 לפנה"ס. מצור זה הסתיים בחורבן בית המקדש הראשון). בספרות חז"ל לא נמצא כל שימוש במילה זו או בתרגומה. הפרשנים נחלקו בפירוש המילה סוללה; מחבר הספר יוסיפון, בן המאה ה-10, בתארו את המצור שערך טיטוס – ראה אותה ככלי מצור, וכמותו סברו גם הרלב"ג ורבי אברהם הרופא פורטלאונה. "שפיכת סוללה" הובנה אצלם כירייה מתוך כלי ארטילרי – בליסטרה המשליכה כמות גדולה של אבנים. למשמעות זו יש תימוכין ממדרש איכה רבה. לעומתם, פרשני המקרא רבי דוד אלטשולר (בספרו המצודות) והמלבי"ם מפרשים כי הכוונה לסוללת עפר הנשפכת מול העיר כדי לאפשר לחימה ממנה (סוללת מצור).

בספרות ההשכלה וכן בעיתונות העברית בראשיתה שימשה ה"סוללה" כסוללת עפר. התרגום של "סוללה" כנשק ארטילרי – קבוצת כלי ירייה (ובשלב זה – התותחים המודרניים) הופיעה בעיתונות לראשונה רק ב-1877 (בעיתון הצפירה).
השימוש של "סוללה" עבור סוללה חשמלית ("בטרייה") הופיע מאוחר יותר – רק בשנות ה-30 של המאה ה-20. העתקת המילה למשמעות זו נבעה מ-battery האנגלית ו-batterie הצרפתית, המשמשות אף הן משמעות כפולה – לסוללה החשמלית לצד הארטילריה.^[1]

היסטוריה של הסוללה

סוללה חשמלית של אלסנדרו וולטה

הסוללה הראשונה

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. לאחר 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 מנגן דו-חמצני, 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:

קתודה – (קוטב חיובי) שבה מתרחש תהליך חיזור, שבו נשלחים אלקטרונים אל המעגל החיצוני (צרכן החשמל).
אנודה – (קוטב שלילי) שבה מתרחש תהליך חימצון, שבו נקלטים אלקטרונים מהמעגל החיצוני.
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 החשמליים 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.

הסוללה במעגל החשמלי

סמל הסוללה במעגל החשמלי

בתרשימים של מעגלים חשמליים הסוללה מסומלת על ידי שני קווים מקבילים בעלי אורך שונה – הקו הארוך מייצג את הצד החיובי של הסוללה והקצר את השלילי.

סוגי סוללות

סוללת ליתיום יון

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. טעינה של סוללות ראשוניות במטענים רגילים של סוללות משניות אינה יעילה ואף עלולה לגרום נזקים.

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 לעיתים 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 הן בעמידותן הרבה, והן ביכולתן 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, בהם 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.

סוללת עופרת-חומצה – בדרך כלל מכונה "מצבר", זוהי סוללה נטענת בה האלקטרודות עשויות עופרת והאלקטרוליט הוא תמיסה מימית של חומצה גופרתית.
סוללת 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 מתכת הידריד פחת השימוש בתאי ניקל קדמיום ממספר סיבות: רעילות הקדמיום, קיבולת נמוכה, הצורך 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 יוני ליתיום, וסוללת ליתיום-פולימר, הן סוללות קטנות ודקות במיוחד המיועדות למכשירים חשמליים קטנים במיוחד כמו טלפונים ניידים ומצלמות. סוללת ליתיום יון תעשייתית מורכבת מקתודת LiCoO₂ ומאנודת גרפיט. בתהליך פריקה יוצאים יוני הליתיום מהקתודה ונכנסים בין שכבות הגרפיט בעוד הקובלט משנה את מצב החמצון שלו. בטעינה הם יוצאים מהגרפיט וחוזרים למבנה תוך שחרור אלקטרונים. ההספק החשמלי של סוללות אלו גדול בכ-300% משל סוללות ניקל קדמיום וניקל מתכת-הידריד.
סוללת ניקל-ברזל (NiFe) – היא סוללה נטענת שבה הקתודה היא תחמוצת ניקל (III) אוקסידי וברזל משמש כאנודה, עם אלקטרוליט של אשלגן הידרוקסיד.

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

סוללת יון-סודיום – סוללה נטענת מחומרים זולים אך בעלת מספר מחזורי פריקה/טעינה קטנים יחסית לעומת סוללות אחרות.

קיבולת האנרגיה של סוללה

קיבולת האנרגיה של סוללה נמדדת בעזרת יחידות של מטען חשמלי – Ah (אמפר שעה = 3,600 קולון). זהו סימון נפוץ. כדי לקשר בין יחידות האנרגיה ואט-שעה ליחידות המטען אמפר-שעה יש לכפול במתח, כלומר: במונחי ואט-שעה קיבולת האנרגיה שווה למכפלת נתון האמפר-שעה במתח. במונחי ג'אול, הקיבולת שווה למכפלת נתון האמפר-שעה במתח, תוך הכפלה נוספת ב-3,600 (מספר השניות בשעה). לדוגמה, כאשר מצוין על גבי סוללה שהיא בעלת מטען של 1Ah במתח של 5 וולט, הכוונה היא שהסוללה מסוגלת לספק זרם של אמפר אחד במשך שעה, במתח של 5 וולט. ביחידות אנרגיה, מדובר ב-5 ואט-שעה, או ב-18,000 ג'אול. אם לדוגמה, מכשיר אלקטרוני צורך זרם של 100mA, וניזון מסוללה שהמטען שלה 1,300mAh, הוא 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.

סימון הסוללות

בעבר, עד שנות ה-60 של המאה ה-20, השימוש בסוללות בשוק האזרחי היה מוגבל למספר קטן יחסית של מכשירים. לכן היו מעט דגמים, והם סומנו באותיות: AA, C, D, וכדומה. כאשר הסימון התייחס בעיקר לממדים שלהן. עם התפתחות המיקרו אלקטרוניקה, ושימושיה הרחבים גם בשוק האזרחי, החל משנות ה-70 של המאה ה-20, נוצרה דרישה לסוללות בעלות קיבול גבוה, וממדים קטנים יותר ויותר. הדבר יצר דחיפה לפיתוח טכנולוגיות כימיות נוספות עבור סוללות. התוצאה הייתה שוק עם דגמים רבים של סוללות, הנבדלים, למשל, מבחינת הגודל, הקיבול, המרכיבים הכימיים של התא הבסיסי, יכולת הטעינה לשימוש נוסף, ועוד. לכן נדרש להרחיב את שיטת הסימון, כך שהסימון ימסור בקיצור יותר מידע על הסוללה. ואף נוצרו מספר תקנים לסימון. כך למשל, בשנות העשרה של המאה ה-21, סוללה שבעבר כונתה AA, אשר מרכיביה העיקריים הם אבץ ופחמן והמתח החשמלי הראשוני שלה הוא 1.5V, מכונה, לפי אחת משיטות הסימון, R6.

בריאות וזיהום סביבתי

סוללה ישנה שלא הובאה למיחזור.

סימני קורוזיה על סוללה חשמלית

סוללות מכילות מתכות ויוני מתכות, ושאר חומרים, העלולים לדלוף ולזהם את הסביבה, ובפרט את מי התהום והקרקע, ולפגוע בחי ובצומח.^[2]^[3]^[4]^[5]

ראו גם

מיחזור
אלסנדרו וולטה – ממציא הסוללה החשמלית המודרנית
רכב חשמלי מונע מצבר
"סוללת בגדאד" – מתקן שארכאולוגים משערים שהיה בעלת יכולת הפקת מתח חשמלי בעולם העתיק