Húsz évvel ezelőtt elem szóhoz még archaikus íz tapadt. Az elemeket ugyanis nemigen használták máshol, mint az „isten háta mögötti“ helyeken, ahova még nem értek el a villanyhálózat csápjai. Napjainkban a helyzet megváltozott: inkább arra törekszünk, hogy megszabaduljunk a hálózattól, ettől a mozgásunkat korlátozó ,,köldökzsinórtól“, amely kíméletlenül lakásunkhoz akar láncolni.
A megoldás magától adódik: használjunk akkumulátort, amit a hálózati árammal bármikor fel lehet tölteni. Ez igaz, csak hát az akkunak is van egy pár elég lényeges hátránya. Nagyon drága, és többnyire igen nehéz a benne levő ólom miatt. Nem marad más hátra tehát, mint az elektromos energia „konzerveihez“ folyamodni.
Az elemet valóban konzervnek lehet nevezni, mert legalább egy vonatkozásban hasonlít az igazi konzervhez: amint kiürül, már nem lehet újratölteni. Vagy olyan, mint a gyufa. „Használat után eldobandó“. A különbség viszont az, hogy az elem hosszabb életű, mint a gyufa. Az elv, amely szerint az elem működik: a kémiai energia elektromos energiává való átalakítása. Az első elemet Volta állította elő 1795-ben. Kivitelezése – mai szemmel nézve – nagyon egyszerű. Két lemez – az egyik réz, a másik cink – kénsavba merítve, közöttük (az így létrehozott két elektród között) elektromos feszültség észlelhető (mintegy 0,9 V).
Természetesen a Volta-elemnek vannak modernebb változatai is, a lényeg azonban ugyanaz. A feszültség növelése érdekében több alapegységet sorozatba lehet kötni. Mi szolgáltatja az áramot tulajdonképpen? Amikor a két elektródot összekötjük, a sav hidrogénje a réz-elektród felé indul, a szulfátgyök pedig a cink-elektródból kiragad egy atomot, amellyel cinkszulfátot alkot, így jön létre a belső áramkör, amely a külső áramkörben az elektromos potenciál fenntartását biztosítja. Az elem mindaddig működik, amíg a cink-elektród teljesen el nem használódik. Működésében azonban zavaró körülmények is fellépnek. Az egyik az, hogy a rézelektródra telepedett hidrogén buborékok mintegy elszigetelik (polarizálják) az elektródot, s ezzel nagyon megnövelik a belső ellenállást.. A másik hátrány az, hogy az elemben lezajló kémiai folyamatok visszafordíthatatlanok, ami gyakorlatilag azt jelenti, hogy az elemet használat után el kell dobni. S még az is kevéssé vigasztaló, hogy ez a modernség jegyében történik, aminek nevében manapság a „használd és dobd el“ jelszóval a papírszalvétától az autóig minden terméket megilletnek.
A leírt Volta-féle elem gyakorlati alkalmazása napjainkban már nagyon szűk, legfeljebb iskolákban használják, didaktikai célból Az elektromos energia konzerválása tekintetében a következő fontos lépést a szárazelem megjelenése jelentette. A franciák szerint ennek feltalálója Leclanché, a dán gyerekek viszont úgy tanulják, hogy a szárazelem ötlete Wilhelm Hellesen honfitársuk elméjében született meg. Itt már olyan elemről van szó, amely tartalmaz egy, a keletkezett hidrogént oxidáló anyagot is, ami jelentősen csökkenti a polarizációs veszélyt. (Ez a mangánoxid, amely egy szén-elektródot zár magába, az elektrolit pedig ez esetben nem kénsav, hanem ammóniumklorid, a másik elektród pedig általában cinkből készül.)
A gyakorlatban az elektrolitet megszilárdítják, ami által az elem használata sokkal könnyebbé válik. Az elektrolitet zselózzal keverik, majd melegen, megolvasztott állapotban beleöntik a már előre elkészített elemtestbe. Az utóbbi időben a szárazelem jelentős fejlődésen ment keresztül. Napjainkban egyre ritkább az olyan elem, amely végét járva elkezd „izzadni“. Ezt egyrészt az elektrolit, másrészt a külső burok minőségének feljavításával sikerült elérni. A mai elemeket kettős fal borítja: az egyik általában fémből, a másik műanyagból készül. Egy ideje nálunk is ilyen elemeket készítenek a temesvári ELBA-gyárban.
A szárazelem az a fajta, amiből jelenleg a legtöbbet gyártanak Európában. Az utóbbi időben azonban mind nagyobb teret hódít az úgynevezett alkáli elem Ez a hagyományos elemtől csak annyiban különbözik, hogy az elektrolit nem ammóniumklorid, hanem káliumhidroxid, tehát lúg. Ez a változtatás az áramsűrűség huszonöt százalékos megnövekedését és a kapacitás megháromszorozódását eredményezi. Az alkáli elem másik jelentős előnye az, hogy sokkal nagyobb hőingadozás visel el, mint a klasszikus elem (-20 C°-tól egészen 70 C°-ig). Mindeddig az alkáli elemek gyártása az amerikai és japán cégek privilégiuma volt, az utóbbi időben ez a típus Európában is megvetette a lábát. Az alkáli elem – amellett, hogy élettartama sokkal hosszabb – sokkal egyenletesebb áramerősséget szolgáltat.
Az USA piacán forgalmazott elemek mintegy húsz százaléka alkáli típusú. Kontinensünk jócskán lemaradt ezen a téren. Franciaországban például az eladottaknak csupán öt százalékát teszi ki az alkáli elem. Mi ennek az oka? Elsősorban az, hogy az USA-ban rengeteg, elemmel működő szerkezet (villanyborotva, tévé, rádió, gyerekjáték) van forgalomban – mindezek Európában lényegesen kisebb számban fordulnak elő, márpedig, amint az előbbiekből kitűnik, a villanyborotva vagy a tévé üzemeltetésére – az egyenletesebb erősségű áram miatt – ajánlatosabb alkáli elemet használni.
A technikában jelenleg „divatossá“ vált miniatürizálástól az elemek sem menekültek meg. Manapság már az elemmel működő óra vagy éppen fényképezőgép sem ritka Ezek általában tabletta formájú higanyelemek. Kis méreteik ellenére meglepő teljesítményekre képesek. Vannak például olyanok, amelyeket csupán két-háromévenként kell cserélni.
A higanyelem alapjánál szintén a cink áll, amelyet káliumkarbonát és higanyoxid, vagy pedig higany és káliumcinkát kísér. A pontos gyártási módszer és vegyi összetétel ismeretlen, minthogy minden cég szabadalom és gyártási titok útján védi saját termékeit. Egy ilyen higanyelem kapacitása négyszerese a klasszikus elemének – ennélfogva az elem jóval drágább is. Valamivel gyengébb feszültséget (1,3 V) hoz létre, mint a klasszikus elemek (1,5 V), viszont a szolgáltatott áram sokkal egyenletesebb, ami különösen a precíziós műszerek esetében nagyon fontos.
A higanyelemmel még távolról sem fejeződött be a típusok sora. Az utóbbi években még kisebb és még erősebb elemekre volt szükség, amelyek a legmodernebb ultraminiatürizált műszerekben is használhatók legyenek. A kérdést természetesen több higanyelem sorba kötésével is meg lehetne oldani, ez a megoldás azonban jelentős térfogat- és árnövekedéssel járna. Hosszú és költséges, fáradalmas munka révén született meg a népes elem-család legfiatalabb tagja, a lítiumelem. Anódja lítium, katódja krómezüst, az elektrolit pedig szemes oldószerben oldott lítiumsó. Az eredmény: egy parányi elem, alig nagyobb egy gyufa fejénél, amely mégis 3 V-os feszültséget biztosít Az ára viszont nem volt éppen a legolcsóbb. A vegyészek és fizikusok tovább kerestek, s nemsokára előkerült a megoldás. Ezüst helyett rezet is lehet használni. Sőt, ebben az esetben az elem teljesítménye még jobb!
Bár az utóbbi időben a nyugati piacon kezd egyre nagyobb veszélyt jelenteni az idáig lebecsült japán konkurencia, egyelőre még mindig francia, nyugatnémet és holland elemek látják el a nyugat-európai piac kilencven százalékát. Az elemek által szolgáltatott áram jóval drágább a hálózati áramnál (Franciaországban például körülbelül 500-1000-szer), ennek ellenére a kereslet egyre nő. Vajon Volta, Leclanché vagy Hellesen tudták, mekkora szolgálatot tettek az elem felfedezésével? Valószínű, hogy nem. De ez talán nem is lényeges. Nem szabad lebecsülnünk a feltalálók érdemeit, azonban hiba volna nem beismerni, hogy a XX. század emberének rátermettsége, alkotási kedve, haladás-akarása nélkül az elem alighanem halva született gyermek lett volna.
Megjelent A Hét IV. évfolyama 4. számában, 1973. január 26-án.
