Технология: аккумуляторы в повседневной жизни
Пора признать, что в повседневной жизни мы уже не можем обойтись без целой своры гаджетов. Но все эти устройства не могли бы существовать без компактных источников автономного питания, которые прошли почти двухсотлетний период эволюции, чтобы оказаться под крышкой твоего телефона и дать ему возможность функционировать вдали от розетки.
Тем временем великолепный дуэт из разработчиков электроники и производителей аккумуляторов уже который год подгоняет друг друга пинками, заставляя, с одной стороны, выпускать более емкие аккумуляторы, а с другой - менее прожорливые чипы. Однако рост количества транзисторов на полупроводниковых устройствах прямо пропорционально увеличивает не только производительность, но и энергетический аппетит, который в последнее время унять не может уже ничто, даже самые тяжелые, емкие и современные аккумуляторы.
История
История аккумуляторных батарей берет свое начало еще на рубеже XVIII-XIX веков, то есть примерно в то же время, когда начались первые эксперименты с изучением электричества и зародилась идея это электричество каким-то образом аккумулировать для дальнейшего, пусть и очень примитивного (а зачастую опытного), использования. В начале XIX века итальянским физиком и по совместительству химиком Алессандро Вольта был изобретен так называемый «элемент Вольта» или «гальванический элемент» - сосуд, наполненный соленой водой, в котором содержались две медные и цинковые металлические пластинки, соединенные проволокой. В результате этого нехитрого эксперимента на соединительной проволоке стал протекать электрический ток. Он, в свою очередь, получался в результате гальванического эффекта, названного в честь другого итальянского ученого, Луиджи Гальвани, на экспериментах которого и основывался опыт Вольта.
Впоследствии гальваническим элементом стали называть химический источник тока, основанный на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Необходимо отметить, что практически все современные батареи состоят как раз из этих трех основополагающих элементов - двух электродов (анода и катода) и электролита. Сам же процесс появления электрического тока связан с побочным эффектом окислительно-восстановительной реакции, в результате которой ионы кислорода переходят от одних молекул к другим. В гальваническом элементе сочетание трех составных структур может быть различно - в качестве электродов и электролита могут применяться совершенно разные материалы, от которых и будут зависеть дальнейшие характеристики создаваемой аккумуляторной батареи.
За почти двухсотлетнюю историю существования было создано немало различных «композиций» из сочетаний всевозможных компонентов, но до практической реализации и коммерческого успеха дошли лишь 6 основных типов аккумуляторных батарей. Их мы сегодня и рассмотрим.
Свинец и кислота (SLA)
Настоящим ветераном среди аккумуляторов принято считать батареи на свинцовокислотной основе. Данному типу аккумулирующих устройств недавно стукнуло аж 150 лет. За свой долгий жизненный цикл он нисколько не потерял в распространенности и популярности, до сих пор оставаясь самым недорогим и практичным из всех доступных типов.
Его история начинается в 1859 году, когда в результате практического опыта, проведенного французским ученым Гастоном Планте, был создан первый аккумулятор, электроды которого состояли из листового свинца, разделенного полосками полотна. Электроды были свернуты в спираль и помещены в сосуд, наполненный электролитом, в качестве которого выступал раствор из разбавленной дистиллированной водой серной кислоты. Конструкция была примитивной, однако, несмотря на простоту и дешевизну производства, аккумуляторы на свинцово-кислотной основе стали самыми популярными и первыми коммерчески успешными. Они имели невысокую энергетическую плотность - около 20 Вт-ч/кг и должны были обладать немалыми размерами для достаточного энергетического снабжения. Но ввиду их активного использования в промышленности и автомобилестроении начала XX века они завоевали огромную популярность.
Вплоть до 20-х годов XX века активно развивалось два типа автомобилей: одни работали на жидком топливе, а другие - на электроэнергии и аккумуляторных батареях, и последние существенно опережали своих бензиновых конкурентов. К примеру, уже в 1899 году электромобиль смог установить мировой рекорд скорости, разогнавшись до 105 км/ч, что было не под силу «топливным» авто. Увы. малый запас хода на одном заряде, постоянный износ свинцово-кислотных аккумуляторов и слабая проходимость по бездорожью вывели бензиновые автомобили в лидеры уже к началу 30-х годов XX века.
Если взглянуть на данный тип аккумуляторов поближе, то из одной их конструкции можно почерпнуть их главные достоинства и недостатки. Во-первых, использование тяжелых свинцовых пластин в качестве электрода накладывает вполне очевидные ограничения на «портативность» таких аккумуляторов. Использовать их в ноутбуке или в телефоне не получится, да и маленькая энергетическая плотность не позволит устройству проработать длительное время. Во-вторых, серная кислота и даже ее раствор - штука очень недружелюбная не только для мягких тканей нашего организма, но и практически для всего, с чем она соприкоснется, так что малейшая протечка сквозь трещину герметического корпуса может натворить немало бед. Наконец, со временем на решетках свинца образуется побочный продукт жизнедеятельности (а точнее, процесса зарядки и разрядки) такого аккумулятора - сернокислый свинец, являющийся диэлектриком. Со временем он полностью покрывает всю поверхность электрода и вызывает практически полный его износ и неработоспособность.
С другой стороны, свинец и раствор серной кислоты в промышленных масштабах обходятся в копейки, так что и конечная стоимость свинцово-кислотных батарей, по сравнению с конкурентами, совсем небольшая.
Благодаря новым технологиям, в частности, использованию гелеобразного электролита (где серная кислота перемешана с другим «загустителем», например, кремниевой кислотой), удалось избежать частых протечек и сделать такие аккумуляторы универсальными - теперь их можно было применять не только в промышленности, но и в домашних нуждах, к примеру, в источниках бесперебойного питания для ПК или радиотелефона. Из других существенных плюсов можно отметить исправную работу даже при минусовых температурах, однако с ухудшением характеристик аккумулятор на свинцовокислотной основе начинает терять свою первоначальную емкость - при -45 градусах эффективность работы аккумулятора не будет превышать 30-40%.
Просуммировав все плюсы и минусы данного типа «электрических накопителей», можно прийти к однозначному выводу - это дешево, сердито, практично и оптимально для промышленного применения.
Никель-кадмиевые (Ni-Cd)
Поскольку свинцово-кислотные аккумуляторы ввиду своего веса и малой энергоемкости мало подходят для карманных и компактных переносных устройств, использование никель-камдиевых батарей носило массовый характер как раз на рубеже 80-90-х годов прошлого века. В качестве электродов в аккумуляторах используются никель (анод) и кадмий (катод), а в качестве электролита - гидроксид калия. По своим энергетическим показателям никелькадмиевые батареи могут обеспечить гораздо большую плотность, нежели свинцовокислотные - порядка 50-70 Вт-ч/кг. Одной из самых полезных и важных фишек данного типа аккумуляторов является то, что они способны порождать большие токи и сохранять стабильно высокое напряжение на протяжении всего цикла разряда.
Другой не менее важной особенностью является их способность выдерживать огромное количество зарядов и разрядов, не теряя при этом своей эффективности и емкости. Промышленные никель-кадмиевые батареи выдерживают от 1000 до 10000 циклов перезарядки и могут стабильно функционировать в течение 25-30 лет. К тому же это один из немногих типов аккумуляторов, хранить которые можно в абсолютно разряженном состоянии, не боясь потерять в их эффективности. Однако дальнейшее развитие аккумуляторов не имело бы место быть, если бы никель-кадмиевые батареи были совсем без недостатков. Главным среди них является сильная токсичность и ядовитость кадмия, что накладывает жесткие ограничения на процесс утилизации подобных батарей. К тому же данные аккумуляторы сильно подвержены «эффекту памяти», который проявляется при зарядке не полностью разряженных батарей. В результате данного эффекта существенно снижается энергоемкость аккумулятора, что в конечном итоге может привести к полной поломке некогда работающего «накопителя». Поэтому первые сотовые телефоны, которые в начале 2000-х активно комплектовались именно никелькадмиевыми батареями, рекомендовалось заряжать только после того, как телефон полностью «сядет».
По идее данный тип аккумуляторов великолепно подходит и для промышленных нужд, где он, впрочем, до недавнего времени активно использовался. Но борьба за сохранность окружающей среды вынуждает производителей отказываться от данного типа аккумуляторов в пользу более экологичных никель-металлогидридных аналогов.
Никель-металлогидридные (Ni-MH)
Разработка нового типа аккумуляторов началась еще в 70-х годах XX века. Однако из-за несовершенства технологий того времени прогресс застопорился на десятилетие, вплоть до конца 80-х. Тогда ученые предложили использовать те же аноды, изготавливаемые из никеля, но вместо катодов кадмия применить другие соединения - гидриды. Это особые металлические сплавы, способные удерживать атомарный водород куда лучше кадмия, являясь при этом абсолютно экологически чистым материалом. Благодаря использованию нового типа катодов в никель-металлогидридных аккумуляторах удалось поднять энергетическую плотность до 60-90 Вт-ч/кг - при одинаковой массе используемого аккумулирующего вещества увеличить эффективность на 30-50% по сравнению с Ni-Cd-батареей. Казалось бы, вот он аккумулятор мечты, который можно использовать повсеместно - и для промышленных, и для бытовых нужд, и который гораздо практичнее своего предшественника. Но, как оказалось позже, общее количество циклов перезарядки у нового типа батарей в разы меньше - порядка 500-600.
Обнаружились и серьезные проблемы с быстрым саморазрядом новых Ni-MH аккумуляторов - в «выключенном» состоянии они могли потерять до 5-7% заряда всего за сутки. Данный «косяк» удалось со временем поправить, но для промышленного применения новые батареи не подошли. Их предшественники хоть и требовали определенного обращения (правильного заряда-разряда, герметичного хранения), но оказались надежнее новичка.
Литий-ионные
Как это ни странно, но активные исследования в области разработки аккумулирующих батарей на основе лития начались примерно в то же время, что и работы над Ni-MH. На поток они были поставлены значительно позже - лишь в начале 90-х, причем японская компания Sony первой начала продвигать новый тип аккумуляторов в массы, «зарядив» ими свои ноутбуки, видеокамеры, кассетные плееры и магнитофоны.
Литий является одним из самых химически активных металлов, так что его присутствие в новом типе батарей не случайно. На первых порах производства литиевых аккумуляторов возникли серьезные проблемы - используемая структура, включающая в себя анод из металлического лития, себя не оправдала. Дело в том, что в процессе многократных циклов зарядки и разрядки возникали так называемые пространственные образования, или дендриты, приводящие к замыканию электродов и, как следствие, к возгоранию или взрыву. Удачная конструкция и высокая эффективность нового типа батарей была омрачена их чрезмерной опасностью для повседневного использования.
Впрочем, выход был найден достаточно быстро - ионы лития переместили из анода в электролит, а в качестве электродов стали использовать уголь и диоксид лития. Благодаря этому новому «коктейлю» удалось достичь практически такой же эффективности и сделать конструкции аккумулятора безопасней. При этом энергетическая плотность литий-ионных батарей достигала внушительных 110-180 Вт-ч/кг, а число допустимых циклов перезарядки переваливало за 1-3 тысячи. Этого хватало, чтобы устройство с литий-ионной батареей успело морально и физически устареть вместе с ее эффективностью. Наконец, один из существенных недостатков предыдущего типа батарей в литий-ионных накопителях был устранен - саморазряд у них длится крайне медленно и равен приблизительно 5-6% в месяц. Благодаря неоспоримым плюсам доведенных до ума литий-ионных аккумуляторов они обрели самое широкое распространение в сфере домашнего применения. Данный тип батарей используют в ноутбуках, видеокамерах. плеерах и мобильных телефонах. На данный момент этот тип аккумуляторов является самым востребованным, надежным и распространенным в повседневной жизни человека, найдя применение в самом широком спектре устройств.
Впрочем, и у этой «золотой середины» есть свои не очень приятные недостатки. К примеру, литий-ионные аккумуляторы, несмотря на внушительное количество циклов перезарядки, имеют очень неприятное свойство: примерно через год они начинают терять свою емкость, даже если благополучно отсоединены от ноутбука и лежат на полке в антистатическом пакете. Весьма досадным является и запрет на хранение данного типа аккумуляторов в полностью разряженном состоянии - в этом случае батарея начинает портиться еще быстрее и буквально за несколько месяцев может лишиться до 80% своей первоначальной энергоемкости. Наконец, цена - использование сложных электрических схем в аккумуляторах, которые предохраняют взрывоопасные литиевые батареи от перезаряда или слишком высокого нагрева, делают их не таким уж дешевым удовольствием.
Литий-полимерные
На самом деле данный тип аккумуляторов не является отдельным классом или новым видом энергонакапливающих устройств. По своей сути это лишь усовершенствованная структура популярного литий-ионного типа, (лавное отличие заключается в электролите, который хранится в твердом состоянии (полимерная прокладка между анодом и катодом. пропитанная солями лития). Новый тип аккумуляторов на литий-полимерной основе может похвастаться пусть и не большой, но увеличенной энергоплотностью от 130 до 190 Вт-ч/кг. Кроме того, благодаря использованию полимерного электролита появилась возможность создавать аккумуляторы практически любой формы, размера и толщины (обычные литий-ионные аккумуляторы требуют цилиндрического или прямоугольного корпуса).
В теории возможно сделать аккумулятор толщиной 1 мм и разместить его, скажем, под экраном ультрабука, что положительно скажется на весе и габаритах гаджета. Но самой приятной особенностью литий-полимерных аккумуляторов является их себестоимость, практически не отличающаяся от стоимости предшественника, и надежность конструкции, даже превышающая показатели литий-ионных батарей. Этих двух качеств было достаточно для того, чтобы многие производители стали активно переходить на использование именно данных типов батарей. Жидкие литий-ионные аккумуляторы сегодня стали пережитком прошлого. Совершенствование конструкции не убавило «классических» недостатков, которыми наделены литиевые батареи - эффект старения и «смерть» при длительном хранении в разряженном состоянии все еще являются нерешенной проблемой.
Серебряно-цинковые
Пожалуй, самым энергоемким типом аккумуляторов являются серебряно-цинковые - они способны обеспечить до 250 Вт-ч/кг. В данном типе батарей в роли анода используется оксид серебра в виде спрессованного порошка, в качестве электролита - раствор гидроксида калия, а катод состоит из смеси окиси цинка и цинковой пыли. Поскольку данный тип аккумуляторов имеет широкий спектр рабочих температур (от -40°C до +50°C) и может похвастаться высокой механической прочностью и малой величиной саморазряда, их активно используют в авиации, космической и военной промышленности.
Среди недостатков стоит отметить высокую стоимость производства, длительное время зарядки и малый срок службы, который не позволяет серебряно-цинковым батареям захватить плацдарм бытового применения и составить серьезную конкуренцию литиевым «накопителям».
Заключение
На сегодняшний день бесспорным лидером среди аккумуляторов для портативной и домашней электроники являются литиевые батареи. В последние годы много ожиданий было возложено на батареи на основе топливных элементов - все ждали, что буквально через несколько лет наконец-то будут созданы батареи, способные обеспечить 20 часов работы для мощного игрового ноутбука всего лишь на одном таком элементе. Но чуда не случилось, инженеры пока не нашли ничего лучше и практичней литиевых аккумуляторов. Поэтому НИИ не пытаются разработать что-то новое, а наоборот, вытягивают весь потенциал из литий-ионных и литий-полимерных батарей - до теоретически возможного максимума энергоемкости данного типа аккумуляторов еще далеко, есть что совершенствовать и куда развиваться. Может быть, в ближайшие годы произойдет очередное открытие в области аккумуляторных батарей и ученые найдут новое сочетание из электродов и электролита. позволяющее совершить революцию в области автономных источников питания. В любом случае, пока на аккумуляторном фронте без революционных перемен.
Автор: Роман Морозов |
