סוללה חשמלית

סוֹלְלָה או בָּטֶרְיָה (או בָּטֵרִיָּיה) (מאנגלית: Battery) היא חפץ לייצור חשמל בזרם ישר. הסוללה מורכבת מ"תא חשמלי" אחד או יותר.
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 ל"השבת" אנרגיה לסוללה 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 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.

היסטוריה של הסוללה

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 דו-תחמוצת המנגן, 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.

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

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.

קיבולת האנרגיה של סוללה

קיבולת האנרגיה של סוללה נמדדת בעזרת יחידות של מטען חשמלי - Ah (אמפר שעה = 3600 קולון). זהו סימון נפוץ. כדי לקשר בין יחידות האנרגיה וואט-שעה ליחידות המטען אמפר-שעה יש לכפול במתח, כלומר: במונחי וואט-שעה קיבולת האנרגיה שווה למכפלת נתון האמפר-שעה במתח. במונחי ג'אול, הקיבולת שווה למכפלת נתון האמפר-שעה במתח, תוך הכפלה נוספת ב 3600 (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 וואט-שעה, או ב 18,000 ג'אול . אם לדוגמה, מכשיר אלקטרוני צורך זרם של 100mA, וניזון מסוללה שהמטען שלה 1300mAh, 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.