Καθημερινά όλοι οι άνθρωποι χρησιμοποιούν μπαταρίες, από το τηλεκοντρόλ της τηλεόρασης μέχρι το ρολόι μας, το κινητό μας τηλέφωνο και το αυτοκίνητο. Τι είναι όμως οι μπαταρίες, πως λειτουργούν και ποια είναι η ιστορία τους;

Οι μπαταρίες είναι στην ουσία αποθήκες χημικής ενέργειας, η οποία μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια μέσα στις ηλεκτρικές συσκευές. Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων ή των φορτισμένων σωματιδίων γενικότερα. Για να λειτουργήσει μια ηλεκτρική συσκευή χρειάζεται μια πηγή που έχει περίσσεια ηλεκτρονίων, δηλαδή μία μπαταρία, και ένα κύκλωμα το οποίο θα επιτρέψει την κίνηση των ηλεκτρονίων από και προς τη μπαταρία και την ηλεκτρική συσκευή.

Τα ηλεκτρόνια δεν έχουν τη δυνατότητα να κυκλοφορούν ελεύθερα στη φύση, αλλά κάποιο υλικό πρέπει να τα αποβάλει και κάποιο να τα προσλάβει. Στις μπαταρίες αυτό συμβαίνει μέσω ενός συνεχούς κύκλου οξείδωσης και ανάγωγης. Οξείδωση είναι η διαδικασία κατά την οποία ένα υλικό αποβάλει ηλεκτρόνια. Στις μπαταρίες αυτό αποτελεί την άνοδο.  Αναγωγή είναι η διαδικασία κατά την οποία ένα υλικό προσλαμβάνει ηλεκτρόνια. Στις μπαταρίες αυτό αποτελεί την κάθοδο. Στις μπαταρίες τα στοιχεία που επιτελούν αυτές τις διεργασίες είναι συνήθως μέταλλα. Ανάμεσα στην άνοδο και την κάθοδο υπάρχει ένα υδατικό διάλυμα που περιέχει ιόντα και επιτρέπει τη μετακίνηση των ηλεκτρονίων (ηλεκτρικού ρεύματος).  Το διάλυμα αυτό είναι ένας ηλεκτρολύτης.  

Στο εσωτερικό της μπαταρίας σταδιακά άτομα του μετάλλου της ανόδου  μετατρέπονται σε κατιόντα και εισέρχονται στο διάλυμα αφήνοντας πίσω τους ηλεκτρόνια. Καθώς τα φορτισμένα ηλεκτρόνια αυξάνοντα αναπτύσσονται μεταξύ τους ισχυρές απωστικές δυνάμεις. Επειδή, στην άνοδο δεν υπάρχει ένα υλικό να προσλάβει τα ηλεκτρόνια, αυτά οδεύουν μέσω του κυκλώματος της κάθε συσκευής, στην κάθοδο. Έτσι από τη ροή ηλεκτρονίων από την άνοδο στην κάθοδο δημιουργείται εντός της ηλεκτρικής συσκευής ηλεκτρικό ρεύμα και αυτή λειτουργεί. Τα ηλεκτρόνια που καταλήγουν στο μέταλλο της καθόδου με αποτέλεσμα τα κατιόντα του μετάλλου που υπάρχουν στο διάλυμα να προσλαμβάνουν τα ηλεκτρόνια, να μετατρέπονται σε ουδέτερα άτομα και να αποτίθενται στο μέταλλο. Η διαδικασία αυτή δημιουργεί στην πλευρά της ανόδου πλεόνασμα θετικών φορτίων και αντίστοιχο έλλειμμα στην πλευρά της καθόδου. Συνεπώς, αρνητικά ιόντα από τον ηλεκτρολύτη πηγαίνουν προς την άνοδο και θετικά προς την κάθοδο και έτσι δημιουργείται και εκεί ηλεκτρικό ρεύμα και κλείνει το κύκλωμα. Στη μπαταρία ανάμεσα στα δυο μέταλλα υπάρχει ένα πλέγμα που επιτρέπει τη μετακίνηση μόνο των ιόντων του ηλεκτρολύτη και αποτρέπει τα δυο μέταλλα να έρθουν σε επαφή. Αν συνέβαινε αυτό θα προκαλούνταν βραχυκύκλωμα.

Η πρώτη μπαταρία δημιουργήθηκε το 1800 από τον Alessandro Volta και έμεινε γνωστή ως Βολταϊκή στήλη. Η στήλη αποτελούνταν από επαναλαμβανόμενα στρώματα χαλκού και ψευδαργύρου που είχαν ανάμεσα τους στρώσεις από πανί ή χαρτόνι, που ήταν ποτισμένο με ένα διάλυμα άλατος. O Volta θεωρούσε ότι το ρεύμα ήταν αποτέλεσμα της επαφής μεταξύ των δυο μετάλλων. Ήταν όμως λάθος καθώς η μετακίνηση των ηλεκτρονίων, συμβαίνει εξαιτίας των ιόντων που υπάρχουν στο διάλυμα.

Οι αλκαλικές μπαταρίες που χρησιμοποιούμε καθημερινά, αποτελούνται από ψευδάργυρο (Zn) στην άνοδο και διοξείδιο του Μαγγανίου (MnO₂) στην κάθοδο. Ανάμεσα τους υπάρχει ένα πλέγμα ποτισμένο με αλκαλικό διάλυμα υδροξειδίου (ΟΗ^-), στο οποίο οφείλεται και η ονομασία "αλκαλική μπαταρία".

Οι μπαταρίες μιας χρήσης έχουν μικρή διάρκεια ζωής καθώς περιέχουν μια περιορισμένη ποσότητα μετάλλου που μπορεί να οξειδωθεί. Όταν αυτό πλησιάζει στο τέλος του, η μπαταρία χάνει τη δυνατότητα να δίνει ρεύμα. Η χωρητικότητα της μπαταρίας και κατά συνέπεια η διάρκεια ζωής της φαίνεται από την ποσότητα των mAh που αναγράφεται πάνω σε αυτή. Βέβαια, η διάρκεια ζωής της εξαρτάται και από το πόσο ρεύμα χρησιμοποιείται από τη συσκευή, δηλαδή από το πόσο συχνάπραγματοποιούνται οι κύκλοι οξειδοαναγωγής.

Μια λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, στις οποίες είναι δυνατή η αντιστροφή της διαδικασίας της οξείδωσης της ανόδου, με Τα ηλεκτρόνια του ηλεκτρικού ρεύματος να πηγαίνουν στο μέταλλο της ανόδου και το επαναφέρουν στην αρχική του κατάσταση. Σε αυτή την κατηγορία ανήκουν οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-ion) που χρησιμοποιούνται στα κινητά τηλέφωνα και πλήθος άλλων συσκευών. Σε αυτές, οι ενώσεις λιθίου που βρίσκονται στην άνοδο δίνουν κατιόντα λιθίου και ηλεκτρόνια, τα οποία πηγαίνουν στην ένωση που βρίσκεται στην κάθοδο. Κατά τη διαδικασία της φόρτισης πραγματοποιείται η αντίστροφη διαδικασία και τα ιόντα αυτά, γίνονται πάλι ενώσεις λιθίου. Όμως ακόμα και οι μπαταρίες Li-ion δεν λειτουργούν για πάντα. Οι συνεχείς φορτίσεις δημιουργούν προβλήματα στη δομή των μετάλλων, με αποτέλεσμα η απόδοση της μπαταρίας να μειώνεται με τον καιρό. Η ποιότητα μιας επαναφορτιζόμενης μπαταρίας εξαρτάται λοιπόν, από το πόσες φορές μπορεί να φορτιστεί.

Τα μέταλλα και οι χημικές ουσίες που περιέχονται μέσα στις μπαταρίες μπορούν να ρυπάνουν το έδαφος και το νερό αν δε αποβληθούν ενεξέλεγκτα. Για αυτό τον λόγο είναι απαραίτητο μετά τη χρήση τους να τοποθετούνται στους ειδικούς κάδους ώστε να ανακυκλώνονται. Με την ανακύκλωση τους μειώνεται η ανάγκη για εξόρυξη νέων μετάλλων, αλλά και ο κίνδυνος απελευθέρωσης των βαρέων μετάλλων και τοξικών ουσιών που περιέχουν στο περιβάλλον.