Czy można odróżnić nowe baterie od starych po tym, jak… odbijają się pod podłoża?

Ostat­nio inter­net szepnął mi do uszka, że ist­nie­je bru­tal­nie prosty, czysto mecha­nicz­ny sposób na spraw­dze­nie, która bateria alka­licz­na jest nowa, a która zużyta. Bez wsa­dza­nia ich do lampki czy uży­wa­nia instru­men­tów mier­ni­czych. Według tej metody, podobno wystar­czy upuścić baterie z pewnej wyso­ko­ści na twarde podłoże: stare wyraź­nie się odbiją, nowe znacz­nie słabiej.

Głupie. Bateria to nie piłka, tylko mała puszka na prąd.

Czekaj. Trik nie może być zupeł­nym non­sen­sem, ponie­waż docze­kał się poważ­ne­go badania, prze­pro­wa­dzo­ne­go przez inży­nie­rów i fizyków mate­ria­ło­wych z Prin­ce­ton. Wyniki zostały opisane na łamach Journal of Mate­rials Che­mi­stry A w 2015 roku. 

Ale po co iść na łatwi­znę? Tak się składa, że mam pod ręką parę bate­ry­jek, blat, a nawet jakąś linijkę. Pomy­śla­łem więc, że zanim zasiądę do lektury arty­ku­łu nauko­we­go i sobie wszyst­ko zaspo­ile­ru­ję, prze­pro­wa­dzę własny test. (Jak pro­kra­sty­no­wać, to aktywnie!)

Wybe­be­szy­łem więk­szość domo­wych urzą­dzeń odnaj­du­jąc dwie zdechłe baterie (czy mówiąc popraw­niej tech­nicz­nie: ogniwa alka­licz­ne) typu AA firmy Dura­cell. Do towa­rzy­stwa wycią­gną­łem z pudełka dwie nówki dokład­nie tego samego rodzaju i pro­du­cen­ta. Następ­nie skon­stru­owa­łem pro­wi­zo­rycz­ną “pro­wad­ni­cę” z pocię­tej pla­sti­ko­wej butelki, przy­kle­iłem w środku linijkę, a na prze­ciw­ko tego chwiej­ne­go układu umie­ści­łem smart­fon z kamerą w trybie nagry­wa­nia slow motion.

Kończąc przy­go­to­wa­nia do eks­pe­ry­men­tu miałem odro­bi­nę wąt­pli­wo­ści. Prawdę mówiąc oba­wia­łem się, że nawet jeżeli zja­wi­sko ist­nie­je, to różnica będzie mili­me­tro­wa i nie­zau­wa­żal­na w tak nie­do­sko­na­łych warunkach.

Zosta­łem jednak pozy­tyw­nie zasko­czo­ny. Już po wyko­na­niu pierw­szych rzutów nie miałem wąt­pli­wo­ści: różnica jest wyraźna. Oto jak od blatu odbi­ja­ły się baterie świeżo wyjęte z opakowania:

Nato­miast tak pod­ska­ki­wa­ły baterie wyładowane:

Jeszcze zesta­wie­nie całości, gdyby ktoś tego nie widział:

Dla pew­no­ści rzutów wyko­na­łem przy­naj­mniej kil­ka­na­ście, ale rezul­ta­ty za każdym razem pre­zen­to­wa­ły się podob­nie. Baterie nała­do­wa­ne odbi­ja­ły się na wyso­kość nie­ca­łych 10 cen­ty­me­trów, podczas gdy te zużyte potra­fi­ły osiągać nawet 5 cen­ty­me­trów więcej. To samo potwier­dzi­li naukow­cy z Prin­ce­ton, choć ubrali to w ład­niej­sze słowa:

Wyka­za­no, że współ­czyn­nik resty­tu­cji baterii alka­licz­nych rośnie wraz ze wzro­stem głę­bo­ko­ści roz­ła­do­wa­nia. W niniej­szej pracy, wyko­rzy­stu­jąc nie­nisz­czą­ce testy mecha­nicz­ne, zmiana współ­czyn­ni­ka resty­tu­cji została porów­na­na z danymi uzy­ska­ny­mi metodą dyfrak­cji rent­ge­now­skiej z dys­per­sją energii in situ, aby okre­ślić przy­czy­nę makro­sko­po­wej zmiany współ­czyn­ni­ka restytucji.

Tylko dlaczego to działa?

Musimy na moment zajrzeć do wnętrza ogniwa alka­licz­ne­go. (To ważne: sztucz­ka nie dotyczy aku­mu­la­to­rów lito­wych, niklowo-meta­lo­wych (NiMH), litowo-jono­wych i tak dalej). 

Każda pospo­li­ta bateria AAA (“palu­szek”) oraz AA (ten grubszy “palu­szek”) koniecz­nie musi mieścić w swoim cylin­drze dwie warstwy. Zewnętrz­ną katodę, czyli elek­tro­dę dodat­nią oparta o dwu­tle­nek manganu (MnO₂); oraz wewnętrz­ną, oddzie­lo­ną prze­pusz­cza­ją­cym jony sepa­ra­to­rem, elek­tro­dę ujemną – anodę – zawie­ra­ją­ca cynk (Zn).

Nas inte­re­su­je tylko anoda. Nie tworzy jej czysty lity cynk, tylko proszek cynkowy, zawie­szo­ny zwykle w roz­two­rze wodo­ro­tlen­ku potasu (KOH) – całość przy­bie­ra kon­sy­sten­cję żelu lub pasty. Podczas pracy anoda oddaje ładunki do katody, czemu towa­rzy­szy proces utle­nia­nia cynku. W efekcie, w miarę roz­ła­do­wy­wa­nia ogniwa, w środku zaczyna gro­ma­dzić się tlenek cynku (ZnO).

To ten związek jest cichym sprawcą całego zamieszania.

Kiedy bateria schodzi z taśmy pro­duk­cyj­nej, jej wnętrze wypeł­nia gęsta, pla­stycz­na pasta. Czą­stecz­ki prze­su­wa­ją się wzglę­dem siebie swo­bod­nie, więc kiedy opusz­czasz baterię na twardy blat, energia ude­rze­nia zostaje pochło­nię­ta przez mię­ciut­ką masę. Anoda działa wtedy jak bardzo sku­tecz­ny mecha­nizm tłu­mią­cy drgania i zmniej­sza­ją­cy sprę­ży­stość układu.

Jed­nak­że, kiedy palu­szek się roz­ła­do­wu­je, utle­nio­na pasta zmienia swoją struk­tu­rę. Od zewnątrz aż do rdzenia masa zaczyna sztyw­nieć. Sku­pi­ska tlenku cynku tworzą mole­ku­lar­ne mostki, skła­da­ją­ce się na sieć o wyjąt­ko­wej sprę­ży­sto­ści. I ma to sens, bo tak się składa, że tlenek cynku jest również wyko­rzy­sty­wa­ny m.in. przy pro­duk­cji… piłek golfowych.

Czyli zużyta bateria głęboko w sercu jednak jest piłką…

Tak, ale nie radzę prze­sa­dzać. Po pierw­sze, każdy rzut może uszko­dzić ogniwo. Po drugie, test odbicia ma bardzo ogra­ni­czo­ną wartość dia­gno­stycz­ną – nie pozwala pre­cy­zyj­nie ocenić stopnia roz­ła­do­wa­nia baterii. Badanie w Prin­ce­ton dowio­dło, że “usie­cio­wie­nie” pasty cyn­ko­wej nie postę­pu­je liniowo. Wyso­kość odbić rośnie na począt­ku, ale mniej więcej na pół­met­ku zużycia baterii ulega stabilizacji.

Żeby to wyja­śnić fizycy prze­świe­tli­li rent­ge­nem badane palusz­ki i spraw­dzi­li, jak zmie­nia­ła się struk­tu­ra ich wnętrz­no­ści w miarę roz­ła­do­wy­wa­nia. Zauwa­ży­li, że więk­szość mostków ZnO formuje się jeszcze zanim bateria osią­gnie połowę swojego życia. Później reakcja nadal prze­bie­ga, ale na tyle wolno, że nie zmienia to już wyraź­nie sprężystości.

Oznacza to tyle, że próba odbicia pozwoli ci odróż­nić baterię nową od starej, jednak nie spraw­dzisz w ten sposób, czy bateria jest martwa, prawie martwa, czy zużyta tylko w 60%.

Mimo to, mit należy uznać za potwier­dzo­ny: roz­ła­do­wy­wa­ne ogniwo napraw­dę zmienia swoje wła­ści­wo­ści mecha­nicz­ne. I można to zoba­czyć na własnym biurku. Niby nic, a cieszy.

A TAK W OGÓLE TO… Wszyscy wiedzą, ale nie zawadzi przy­po­mnieć: kiedy już skoń­czysz zabawy z rzu­ca­niem bate­ria­mi, pod żadnym pozorem nie wyrzu­caj ich do kosza ze zwy­kły­mi odpa­da­mi. Muszą one trafiać do selek­tyw­nej zbiórki i recy­klin­gu, ponie­waż zawie­ra­ją sub­stan­cje, które nie powinny lądować w glebie czy ście­kach (np. MnO2 to neu­ro­tok­sy­na). Dlatego zużyte palusz­ki grzecz­nie zano­si­my do punktów zbiórki w super­mar­ke­tach, skle­pach z elek­tro­ni­ką, dro­ge­riach albo cen­trach recy­klin­gu. To proste, bez­płat­ne i realnie ogra­ni­cza szkody śro­do­wi­sko­we. A przy okazji może pozwo­lić na odzy­ska­nie części surowców.