Элементы питания: прошлое, настоящее и будущее

Батарея — устройство для накопления энергии. Такое определение можно дать и маховику, и часовой пружине, и дровам. Однако, когда речь идёт о современных технологиях, под батареей обычно понимают автономную химическую систему, производящую электроэнергию — портативный источник питания для фонариков, видеокамер, ноутбуков.
Каждая область выдвигает свои специфические требования к источникам питания. В итоге элементы отличаются не только размерами, формой, ценой, но также и химической технологией.

История
По всей вероятности элементы питания изобретали дважды. По данным археологов, еще доисторические люди пользовались электрохимическими элементами, которые сегодня мы бы назвали батарейками. В 1932 году в Багдаде было сделано интересное открытие: возможно, возраст элементов питания — около двух с половиной тысяч лет. Первый примитивный элемент питания состоял из железного стержня, опущенного в медный цилиндр. Такое устройство вырабатывало ток, достаточный для нанесения слоя ценных металлов гальваническим методом, что позволяло меди сверкать как золото или серебро.
Второй раз элементы питания были изобретены в конце XIX века итальянским физиком Алессандро Вольта (1745—1827), в честь которого названа единица измерения напряжения. Его элемент представлял собой стопку пластинок из меди или цинка, между которыми находилась пластина из кожи, пропитанная раствором соли.
Ни элемент Вольта, ни его многочисленные усовершенствования не дожили до наших дней. Первое значительное изобретение сделал Гастон Плантэ, разработавший в 1859 году во Франции свинцовый аккумулятор. Это была подзаряжаемая батарея. Похожие электрохимические элементы используются в современных автомобильных аккумуляторах и системах бесперебойного питания.
Следующим важным достижением было создание жидкостных элементов. Впервые они были изобретены и запатентованы Джорджем Леклончем в 1866 году. Леклонч использовал катоды из диоксида марганца, смешанного с углем, и цинковые аноды в форме стержня. В качестве электролита использовался раствор нашатыря. Технология Леклонча дожила и до настоящего времени в виде самых дешевых элементов — углецинковых.
Проблема жидкостных элементов — вытекание электролита. Решить ее довольно сложно. Поэтому ученые разработали химические процессы, позволяющие избежать использования неудобных жидкостей вообще. Заслуга в создании удобных сухих элементов принадлежит Карлу Гасснеру из города Майнца, запатентовавшему сухие элементы в 1887 году. Несмотря на различные технологические доработки, современные сухие элементы основаны на концепции, разработанной Гасснером.
Большинство современных экзотичных подзаряжаемых батарей (никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, множество литиевых батарей) — это разработки двадцатого века, результаты исследований различных лабораторий крупных корпораций и университетов.

Основы
С точки зрения химии, гальванические элементы разделяются на два типа: первичные и вторичные. Различаются они способами вырабатывания энергии.
В первичных элементах электричество вырабатывается из химической реакции, постоянно изменяющей элемент питания. В процессе разрядки — извлечения электричества из элемента — анод, катод и электролит необратимо изменяются. После разрядки такой элемент попадает на пункт приема вторсырья.
Во вторичных элементах химические реакции могут протекать и в обратном направлении, при этом элемент будет накапливать электричество. В отличие от первого типа, эти элементы не вырабатывают, а накапливают (аккумулируют) электричество, потому и называются аккумуляторными батареями. Во многих случаях это удобнее, хотя такая система и не лишена недостатков.
Химическое устройство подзаряжаемых элементов зачастую менее удобно, чем у обыкновенных элементов. Например, большинство аккумуляторов работает на агрессивных жидкостях, которые сложнее хранить. Инженеры создали одноразовые элементы, остающиеся годными даже через десять лет хранения. Что же касается аккумуляторов, практически все они сравнительно быстро теряют свой заряд. Немногие аккумуляторы сохраняют хотя бы часть своего изначального заряда через год работы или бездействия.
Перед использованием аккумуляторы необходимо заряжать, а это требует источника электричества нужного напряжения и нужного тока. В некоторых устройствах использование аккумуляторов не оправдано с практической точки зрения, особенно когда речь идет о максимально дешевых переносных устройствах.

Стандарты
Батарейки — это химические устройства, но мы часто забываем об их происхождении — ведь вся химия, как правило, скрыта от глаз. Нам видны лишь различия в размере и в напряжении.
Наверное, каждый, кто получал в подарок устройство без батареек, оценивал размер элементов. Как правило, батареек нужного размера никогда нет под рукой. Но огромное разнообразие стандартов все же лучше их полного отсутствия (например, большинство батареек для ноутбуков не стандартизованы, и, как следствие, очень дороги).
Основные современные стандарты распространяются на углецинковые элементы, хотя другие технологии (некоторые разновидности литиевых, никель-кадмиевых и никель-металлгидридных элементов) также следуют этим же стандартам. В стандартах определяются размеры батареей. Таким образом, устройства могут работать на батарейках от различных производителей. В следующей таблице приведены стандартные размеры батареек.

Тип Форма Высота, мм Диаметр, мм
AAAA Цилиндр 42,5 8,3
AAA Цилиндр 44,5 10,5
AA Цилиндр 50,5 14,5
C Цилиндр 50,0 26,2
D Цилиндр 61,5 34,2
J Параллелепипед 48,5 33,5 x 9,2
N Цилиндр 29,35 11,95
9-volt Параллелепипед 48,5 26,5 x 17,5

Несмотря на использование различных химических процессов, электрические показатели у батареек одного стандарта одинаковые. Поэтому они взаимозаменяемы не только по размерам, но и по электрическим параметрам. При этом следует заметить, что это не означает их полной идентичности — все слабые и сильные стороны проявляются в конкретных применениях.

Химические типы
Сегодняшние батарейки используют множество различных химических реакций. Некоторые были описаны еще в конце XIX века, некоторым едва исполнилось десять лет. Каждая из них обладает своими преимуществами при использовании в различных видах устройств. Далее мы рассмотрим наиболее популярные типы химических батарей.
Углецинковые элементы на сегодняшний день являются наиболее распространенными и дешевыми. Когда вы говорите о батарейках, то, скорее всего, имеете в виду именно этот тип. К числу таких батареек относятся элементы Леклонча, цинк-хлоридные и щелочные элементы.
В углецинковом элементе катодный токосъемник изготовлен из угля. Он представляет собой угольный стержень, проходящий по оси батарейки. Катод же состоит из смеси диоксида марганца, угля и электролита. Анод выполнен из цинка и представляет собой сам корпус элемента питания. Электролит — это сложная смесь химикалий (клейстер), обычно включающая нашатырь, диоксид марганца и хлорид цинка.
Щелочные элементы (независимо от того, что говорят в рекламе) — это все лишь небольшое улучшение углецинковой технологии XIX века. Основные изменения коснулись химического состава электролита — он стал более щелочной. Такое изменение позволило увеличить плотность и срок годности элементов питания.
Конструкция же щелочных элементов во многом отличается от конструкции обычных углецинковых. Для улучшения эффективности их устройство было кардинально изменено. Корпус щелочных элементов служит просто для защиты и не играет никакой роли в химических реакциях. Анод этих элементов представляет собой желеобразную смесь активного цинка и электролита (смесь гидроксида калия и воды). Оба этих компонента связаны с отрицательным полюсом элемента с помощью медного стержня, проходящего по оси элемента. Катод (смесь угля и диоксида марганца) размещается вокруг анода и электролита и отделяется слоем нетканого материала вроде полиэфира.
В зависимости от сферы применения, щелочные элементы могут работать в 4-9 раза дольше обыкновенных углецинковых элементов. Преимущество их неоспоримо при редко возникающих больших нагрузках, то есть если мощное устройство работает около часа в день, а не по несколько минут каждый час.
Номинальное напряжение углецинковых элементов — 1,5 Вольта. Но это напряжение обеспечено лишь при небольших токах в самом начале их эксплуатации. Напряжение уменьшается при увеличении нагрузки и при уменьшении заряда.
Как правило, углецинковые батарейки не подзаряжаются. Если же вы попытаетесь подзарядить такую батарейку, она станет работать как резистор, а не как аккумулятор и будет просто нагреваться. При очень сильном токе батарейка разогреется до состояния, при котором возможен взрыв — хороший повод никогда не экспериментировать с подзарядкой таких элементов.
Большинство аккумуляторов в мире — свинцовые. В основном их используют для пуска двигателей автомобилей. В них также есть аноды, сделанные из ячеистого свинца, и катоды — из оксида свинца. Оба электрода погружены в электролит — серную кислоту.
Из-за свинца эти батареи очень тяжелы. А так как они залиты высококоррозийной кислотой, они становятся еще и опасными, требующими особого внимания. Кислота и испарения могут повредить соседствующие объекты. А если переусердствовать с зарядкой, может начаться электролиз воды, находящейся в кислоте. При этом вырабатывается водород, который при определенных условиях может взорваться.
Первые свинцовые аккумуляторы требовали регулярного ухода — было необходимо поддерживать нужный уровень воды/кислоты внутри каждого элемента.
После того, как элементы стали герметизировать, удобство использования таких свинцовых аккумуляторов стало бесценным. В результате появились так называемые необслуживаемые батареи. Так как испарения остаются внутри элементов, потери от электролиза и испарения сводятся к минимуму. Поэтому такие батареи и не требуют заправки водой (по крайней мере, не должны требовать).
Но это не значит, что у таких батарей вовсе не возникает проблем с обслуживанием. Все равно внутри плещется кислота, которая может вытечь через батарейные клапаны. При этом могут повредиться батарейные отсеки или даже оборудование, где установлен аккумулятор. Инженеры избегают такой ситуации двумя способами. Можно содержать кислоту внутри пластикового сепаратора между электродами элемента (обычно, он сделан из микропористого полиолефина или полиэтилена). Либо можно смешать электролит с другим веществом, чтобы в результате получился гель. В результате утечка не происходит.
Кроме опасной начинки, у свинцовых батарей есть и другие недостатки. Как было отмечено выше, они очень тяжелые. Количество энергии, которое содержится в единице массы у таких батарей меньше, чем в батареях практически любых других технологий.
С другой стороны, эти батареи очень дешевы. Технология позволяет модернизировать аккумуляторы для специальных нужд, например для использования в устройствах с большими циклами разряда или в устройствах обеспечения бесперебойного питания (основное применение этих батарей). Свинцовые батареи также обладают низким внутренним сопротивлением и поэтому могут вырабатывать очень большие токи. В отличие от более экзотичных элементов, к примеру, никель-кадмиевых, они не подвержены эффекту памяти. Кроме того, такие батареи достаточно долго живут и хорошо предсказуемы.
Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCad). В потребительской электронике большинство аккумуляторов — никель-кадмиевые. Это самый популярный тип подзаряжаемых батареек. Катоды в таких элементах сделаны из никеля, а аноды — кадмиевые. Больше всего в таких элементах ценится их емкость и способность перезаряжаться большое количество раз (500-1000 циклов перезарядки). Кроме того, такие элементы относительно легки и имеют довольно высокую плотность (хотя она в два раза меньше обычных щелочных). Таким элементам не страшна непрерывная подзарядка (при правильном осуществлении). Минусом в никель-кадмиевых элементах считается их токсичность (кадмий — яд).
Выходное напряжение большинства химических элементов уменьшается по мере разряда. Это происходит по причине того, что реакции, происходящие внутри батарейки, увеличивают ее внутреннее сопротивление. Никель-кадмиевые элементы обладают очень низким внутренним сопротивлением, поэтому они могут вырабатывать высокие токи, которые не сильно изменяются по мере разрядки батарейки. Соответственно, такие элементы могут создавать практически постоянное напряжение до тех пор, пока целиком не разрядятся.
Такое постоянство очень ценится разработчиками электроники — теперь им не приходится создавать вариаторы напряжения. Но эта же черта не позволяет вычислять степень заряда батарейки. В результате большинство ноутбуков, к примеру, не проверяют состояние батарейки, а вычисляют степень заряда аккумулятора исходя из количества часов, которое она проработала, и ее номинальной емкости.
Еще одним недостатком никель-кадмиевых батареек считается эффект памяти. Некоторые элементы, не будучи полностью разряженными, при дозарядке могут терять мощность. Химия объясняет такой эффект просто — в результате преждевременной перезарядки на анодах элементов возникают кристаллы кадмия, уменьшающие площадь реакции. Возникновение этих кристаллов называется эффектом химической памяти. Такая химическая память запоминает вторичное состояние разряда аккумулятора. Когда батарейка разряжается до этого состояния, мощность батарейки резко падает, даже несмотря на оставшуюся емкость. Если такой элемент продолжать заряжать из этого состояния, ситуация только усугубится — будет сложнее привести аккумулятор в нормальное состояние. При последующих циклах перезарядки из этого состояния батарея еще лучше его “запомнит”. Для того же, чтобы целиком восстановить емкость аккумулятора и избавиться от этого эффекта запоминания, необходимо разряжать аккумулятор так, чтобы он миновал состояние вторичного разряда.
Для обеспечения максимального срока службы никель-кадмиевых аккумуляторов лучше пользоваться ими равномерно, по нормальному циклу: заряжать полностью и использовать до нормального уровня разряда, затем снова заряжать до конца.
Никель-металлгидридные аккумуляторы (Ni-MH). С точки зрения химии, лучшим материалом для катода батареек был бы водород. Но создать такой катод проблематично — при обычных температуре и давлении водород легче воздуха и его очень трудно удержать.
В конце шестидесятых ученые обнаружили, что некоторые металлические сплавы позволяют хранить атомарный водород в объемах, в тысячи раз превосходящие собственные. Эти сплавы называются гидридами. В хорошо продуманных системах гидриды могут позволить хранить много водорода, который может вступить в обратимые реакции.
В большинство аккумуляторов, использующих гидридные катоды, аноды сделаны из никеля — как и в никель-кадмиевых. Обычно в качестве электролита в таких элементах используется разбавленный раствор гидроксида калия.
При замене кадмия гидридом достигаются некоторые преимущества. Во-первых, конечно же, это удаление токсичного кадмия. Вдобавок, использование водорода в катодах приводит к тому, что плотность у аккумуляторов повышается на пятьдесят процентов в сравнении с никель-кадмиевыми элементами.
Основным недостатком таких элементов является большая, в сравнении с никель-кадмиевыми элементами, скорость саморазряда. Некоторые никель-металлгидридные элементы теряют до пяти процентов своей емкости за сутки.
Литий-ионные аккумуляторы (Li-Ion) Литий давно представлял интерес для производителей источников питания. Килограмм лития способен хранить 3860 ампер-часов (для сравнения: показатель цинка — 820, а у свинца — и вовсе 260).
Проблема заключалется в том, что литий слишком активен. Он настолько бурно реагирует с водой, что может воспламениться. Для того, чтобы решить эту проблему, создатели аккумуляторов пересмотрели технологию и стали использовать литий в ионном состоянии. В таких элементах ионы лития находятся в активных веществах электродов, а не в металлических пластинах.
Обычно в таких элементах анод сделан из угля, а катод — из литийкобальтдиоксида. В качестве электролита обычно используется соляной раствор лития.
Литиевые батареи имеют большую плотность, нежели никель-металлгидридные. Такие элементы работают без подзарядки в ноутбуках в полтора раза дольше никель-металлгидридных.
С другой стороны, внутреннее сопротивление у современных литиевых элементов выше, чем у никель-кадмиевых. Соответственно, они не могут обеспечить больших токов. Кроме того, даже несмотря на то, что литий-ионные батареи выдерживают многократные подзарядки, живут они меньше, чем те, в основе которых лежит никель.
Литий-полимерные элементы (Lithium Polymer). Наиболее перспективной из современных технологий считается доработка уже знакомых нам литиевых реакций и создание на их основе литий-твердополимерного элемента. В настоящее время большинство производителей аккумуляторов переключаются на эту технологию.
Тогда как в традиционных литий-ионных элементах используется жидкий электролит, в твердополимерных элементах электролит запечатан в полимерную пластиковую прокладку, находящуюся между электродами аккумулятора.
В качестве электролита такие элементы используют полимерные композиционные материалы (таких как полиакрилонитрил) с содержанием солей лития. Так как это не жидкость, а твердый материал, новые батарейки не требуют громоздких цилиндрических корпусов как у традиционных элементов. Вместо этого элементы производятся в форме плоских многогранников, которые легче умещаются в батарейные отсеки ноутбуков. Литий-твердополимерные элементы экологически чище и легче обычных, так как не имеют металлической оболочки. Кроме того, они безопаснее, так как не содержат легковоспламеняющихся растворителей.

Перспективы
Если на горизонте и появится что-то принципиально новое, то это будет энергетическая система, лишь внешне похожая на обычную батарейку. На самом деле это не совсем батарейка — это топливный элемент. Десятилетиями инженеры и ученые подходили к этой идее. Эта диковинка вырабатывает энергию химическими методами более эффективно, нежели другие. Такая батарейка еще пока экзотика и она очень дорога (и велика к тому же) для повседневного использования. Тем не менее, как надеются некоторые производители, через несколько лет компьютеры и сотовые телефоны будут постоянно работать несколько дней без подзарядки. Самое удивительное в этих прогнозах то, что инженеры считают такое возможным уже к концу 2001 года.
Как и обычные батареи, топливные элементы основываются на простой реакции окисления/восстановления (oxidation/reduction reaction), но реакция происходит в топливе, а не на электродах. Топливный элемент производит электроэнергию, пока в него поступает топливо (и пока элемент может избавляться от окисленного старого топлива). Анод в топливном элементе, как правило, опущен в топливо, а катод обеспечивает доступ к окислителю (в роли которого обычно выступает атмосферный кислород). Прохождение реакции не влияет на электроды, так как между ними находится ионопроводящая мембрана.
У топливных элементов существует несколько преимуществ. Главное — эти элементы намного эффективнее по сравнению с любыми другими способами генерации электрической энергии. Следует отметить экологическую чистоту и удобство топливных элементов. Портативные батареи не имеют движущихся частей. Они не выделяют токсичных веществ и работают практически бесшумно.
Самой обещающей технологией для питания портативных устройств, таких как ноутбуки и сотовые телефоны, пожалуй, является технология топливных батарей на метаноле (Direct Methanol Fuel Cell). Именно основываясь на этой технологии, Роберт Хокадэй (Robert Hockaday), физик Лос-Аламосской национальной лаборатории, разработал топливную микро-батарею, претендующую на коммерческий успех.
Еще в 1990 году компания Хокадэя, Energy Related Devices, Inc, продемонстрировала экспериментальный сотовый телефон на топливных элементах. Это было первое устройство, проработавшее непрерывно 24 часа. При определенных доработках, это решение могло бы быть запущено в массовое производство. Некоторые компании, такие, как PowerZyme LLC, публично предлагали наладить производство таких элементов к концу года. Но до настоящего времени ни один завод не объявил о начале массового производства топливных элементов питания для ноутбуков или сотовых телефонов.

По материалам http://www.megabyte-web.ru/goto/ChZEQVwWHxYVFkhQHk0QVFlVEVRWXxZbV18fAkNDXFAOBx8BSgoDWFRNFRBUDFF1BQBVBBAFDQoOUxVRBARxAlRTBR1WCR4AERE=/


Рекомендуем почитать: