История аккумуляторов

Немного об истории аккумуляторов и их будущем

Древнейшая история

Историки считают, что первые химические источников тока появились в конце семнадцатого века, отцом-основателем данного класса устройств приписывают ученому Луиджи Гальвани (Италия). Хотя не так давно при раскопках в Египте и Месопотамии археологи нашли медные сосуды с железным стержнем, которые, по их мнению были самыми первыми восполняемыми источниками тока и использовались для ннесения тончайшего слоя метала на разные иделия. Как и с другими важными изобретениями, аккумуляторы/батарейки "изобретены" случайно. Например, сам Гальвани никогда не был изобретателем, он был исследователем внутреннего строения животных, на практике же  увлекался садистско-исследовательскими опытами над животными, однажды он обнаружил, что если к мышце лягушки прислонить две полоски различных металлов, то мышца начинает самопроизвольно сокращаться. В теории Гальвани описал этот тест так, что, электричество вырабатывают мышцы. Данные об этих исследованиях попали другому физику Алессандро Вольту, заинтересованы необычным явлением и поставив ряд собственных опытов, Вольт понял, что причиной возникновения электрического тока является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Чтобы подтвердить свою теорию было создано простенькое устройство, состоящее из двух металлических пластинок (одна из цинка, другая из меди), которые погружались в емкость с соляным раствором. На практике был получен первый химический источник тока. Впрочем, несмотря на то, что авторство первой полноценной батарейки принадлежит Алессандро Вольта, батарейки повелось назвать гальваническими элементами, а сам эффект выработки электроэнергии за счет химических реакций – гальванизмом.

Немного основ

С момента открытия первых батарей и до сих пор принцип работы батарей остается неизменным, и в ближайшем будущем нет предпосылок для их изменения. Батареи состоят из трех элементов: двух электродов (катода и анода) и электролита (который находится между электродами). Электрический ток есть продукт, возникающий путем окислительно-восстановительной реакции, во время которой ионы кислорода переходят от одних молекул к другим. Характеристики батарей зависят от выбора материалов для электродов и электролита, учитывая, что для этих целей можно использовать различные  соединения, количество всевозможных типов батарей ограничено только нашей фантазией. Немаловажную роль играет и сама конструкция батареи, но ее роль, как показывает практика, вторична по сравнению с выбором материалов. Батареи наделены собственными уникальными свойствами: плотность энергии (соотношение емкости к весу), номинальное выходное напряжение, сила тока, срок годности, температурные предпочтения – и другими параметрами. Кроме того, все батареи делятся на два класса, первичные и вторичные, в первых химические реакции являются необратимыми, а во вторых – обратимыми, то есть данные батареи можно «перезарядить». Ниже мы рассмотрим эволюцию перезаряжаемых элементов, так как именно они используются в портативной электронике.

Аккумуляторы свинцово-кислотные

Начнем со свинцовых аккумуляторов. Такие батареи впервые стали коммерчески успешными продуктами, до этого же они представляли интерес скорее для ученых и писателей-фантастов. Первая свинцовая батарея была разработана во Франции физиком Гастоном Плантэ в 1859 году. В 1890 году началось их серийное производство, а в 1900 году с конвейера съехал первый автомобиль со свинцовым аккумулятором. На данный момент аккумуляторы для источников бесперебойного питания, автомобилей, лодок и прочего транспорта производятся по тем же принципам. Внутреннее устройство свинцовых аккумуляторов выглядит так: анод - свинец (или его сплавов), катод – оксида свинца, электролит - раствор серной кислоты. Из особенностей таких батарей: свинец – крайне тяжелый металл, поэтому из недостатков отметим вес, со всеми вытекающими последствиями - очень ограниченное использование в портативной технике. Строго говоря, у свинцовых элементов батарей самая низкая энергетическая плотность, приблизительно 20 Вт/кг. Хотя можно было встретить, например, сотовые телефоны со свинцовыми батареями!!!!, хотя обычно такие телефоны назывались «переносными», такие телефоны были не приспособлены к ежедневному ношению в кармане :-)) Не самое лучшее соотношение веса и емкости с компенсируется другими характеристиками аккумулятора - возможность выдавать крайне большие токи, малая себестоиомсть, неприхотливость и крайне редкие выходы из сроя и в них нет неприятного «эффекта памяти», очень стабильны в эксплуатации (при правильном использовании). Еще один существенный недостаток таких батарей в том, что они содержат серную кислоту. При чрезмерной зарядке в кислоте может начаться электролиз воды – распад на кислород и водород (взрывоопасный газ), в результате которого общее количество электролита уменьшится, в результате емкость аккумулятора падает. В большинстве случаев с электролизом можно справиться  простым добавлением воды, да и то не всегда такое проходит. Сейчас с электролизом стали бороться заключая аккумулятор в герметичный корпус, исключая тем самым любые утечки испарений, но и это не решило проблему наличия жидкой кислоты. Но и эта проблема была вскоре решена - кислоту стали хранить в гелеобразном состоянии (смесь с другими специальными веществами, например, с кремниевой кислотой). Это решение произвело фурор в следствии чего аккумуляторы стали намного безопаснее (их можно даже переворачивать, без опасений что-либо разлить). Такие обновленные аккумуляторы сразу стали широко применять в производстве домашних ИБП (для которых использование жидкой кислоты неприемлемо), такие свинцово-кислотные батареи маркируются аббревиатурой SLA (Sealed Lead Acid).

Аккумуляторы никель-кадмиевые

Свинцовые аккумуляторы очень громоздки, и их установка в компактные электронные устройства, мягко говоря, нецелесообразна. По этому в портативных устройствах применяются аккумуляторы с лучшим соотношением емкости и массы. Раньше, до появления  литий-ионных батарей самыми популярными были никель-кадмиевые элементы (NiCd), которые способны выдавать 40-60 Вт/кг. В данных аккумуляторах анодом является никель, а катодом - кадмий. Заметим, что кадмий является сильнейшим ядом, по этому, дабы не засорять и так зас%%%ую Землю, такие аккумуляторы настоятельно не рекомендуется выбрасывать с общим мусором (отдавайте их в специализированные центры переработки), а также вскрывать, сжигать, ну и пытаться употреблять в пищу. Такие элементы способны порождать достаточно большие токи, причем, в отличие от аккумуляторов других типов, по мере разряда батареи напряжение практически не изменяется по сравнению с изначальным значением, что весьма ценно, лишь при приближении уровня заряда к нулю – напряжение резко падает. Благодаря этому устройства с NiCd-аккумуляторами производятся по упрощенной схеме (отказ от дополнительных схем, регулирующих напряжение). Также большим плюсом является способность выдерживать огромное количество циклов перезарядки. Обычно их хватает на 500-1000 циклов и более!! Однако, как и в случае со свинцовыми аккумуляторами, полноценная работа в течение такого длительного срока обещается при соблюдении правил эксплуатации.  При неправильном использовании может возникать «эффект памяти», который приводит к тому, что батарейки со временем теряют часть своей изначальной мощности. Подобные проблемы начинают возникать, если аккумулятор заряжать до того, как он полностью разрядится. Причина этого эффекта в том, что при досрочной перезарядке на электродах могут образовываться кристаллы кадмия, которые препятствуют нормальной работе аккумулятора. В принципе, «починить» такой "погасший" аккумулятор можно и это предельно просто - надо разрядить его до минимального уровня и затем полностью зарядить, для "закрепления" эффекта эту процедуру рекомендуется повторить до 3х раз подряд. Эффект памяти, излишняя токсичность кадмия, не идеальные показатели по емкости сказались на популярности использования таких батарей - на данный момент они практически не используются, единственное, чем еще живут NiCd-аккумуляторы  – это их маленькая себестоимость. Также существует возможность электролиза, чтобы в них не скапливался взрывоопасный водород, такие батареи оснащают микроскопическими клапанами :-)

Аккумуляторы никель-металлогидридные

следкющим поколением стали никель-металлогидридные элементы (NiMH). Аноды изготавливаются из никеля, в катодах же используются другие соединения – гидриды. Гидриды - это особые металлические сплавы, способные удерживать атомарный водород. Так как водород идеально подходит для участия в окислительно-восстановительных реакциях и содержание водорода в гидридах составляет бОльшую часть их общей массы, гидриды прекрасно справляются со своими задачами на порядок лучше кадмия. Также NiMH-технология менее токсична, и ее можно считать экологически чистой. Никель-металлогидридные аккумуляторы также лучше смотрятся на фоне NiCd-аккумуляторов по соотношению емкость/вес, который у них находится на уровне 60-80 Вт/кг. То есть, при практически той же массе NiMH-аккумуляторы  на 30-50% обладают большей емкостью. По этому NiMH-батареи несмотря на стоимость, активнее используются в портативной электронике. Избавление от кадмия очень сказалось на «эффекте памяти», который стал проявляться менее явно, что позволяет менее внимательно эксплуатировать такие батареи. Но мы не могли не упомянуть и о недостатках (NiMH против NiCd): выдерживают меньшее количество циклов перезарядки (всего порядка 500); у NiMH оказались серьезные проблемы с саморазрядом (потеря энергии в полтора-два раза быстрее, чем даже NiCd-батареи). Опытным путем было установдено, что всего за один день NiMH аккумулятор лишался пяти и более процентов своего заряда. С развитием NiMH-технологии данные показатели удалось выправить, однако к этому времени в исследовательских лабораториях заканчивались работы над более перспективной альтернативой – Li-Ion.

Аккумуляторы литий-ионные

Первые литиевые аккумуляторы появились в 70-х годах, в 80-х технология развилась до серийного производства. Выбор на литий пал не случайно - он является наиболее химически-активным металлом, и великолепно справляется с ролью катода. Однако чрезмерная активность лития нередко может привести и к неприятным последствиям (моментальное воспламенение). Использование таких аккумуляторов в быту было бы неоправданным риском до тех пор, пока ученым не удалось обуздать чрезмерную возгораемость лития, сохранив его свойства. Выход из сложившейся ситуации был найден – в ионном состоянии этот метал менее опасен и при этом не менее продуктивен. Внутреннее устройство литий-ионных аккумуляторов (Li-Ion) весьма интересное: ионы лития перемещены из катода в электролит (например, соляной раствор лития), при этом катод состоит из угля, а анод – из диоксида лития и кобальта. Не смотря на то, что литий-ионные батареи стали намного безопаснее, возможность воспламенения аккумулятора не была исключена полностью (даже сейчас в новостях изредка проскакивает инфомрация о воспламенении, но. в большинстве случаев виной тому - неправильная экспуатация или плохое зарядное устройство). В истории этих батарей есть даже крупномасштабные отзывы продукции, всего под обмен попало более 9,5 миллионов ноутбуков таких мировых брендов, как Sony, Dell, Toshiba, Apple и других фирм), во всех них использовались аккумуляторы производства Sony. Причиной неисправностей, по версии Sony, послужил брак, допущенный при производстве (в зазор на корпусе случайно попали частицы никеля). Данный инцидент послужил поводом для поиска замены литий-ионным аккумуляторам.

На данный момент полноценных альтернатив Li-Ion не так много, тем более к этим аккумуляторам нет особых претензий (ну, кроме возгорания). Аккумуляторы Li-Ion наделены высокой емкостью (90-110 Вт/кг), в них нет эффекта памяти, выдерживают огромное количество циклов перезарядки, отлично держат заряд (теряют примерно 5% в месяц, ан е в день, как NiMH). Минусы: эффект старения (через прмиерно год после производства они начинают портится, даже если не используются), теплолюбивость (такие аккумуляторы практически неприменимы при минусовой температуре) и высокую цену. Но наука не стоит на месте и Li-Ion аккумуляторы стали медленно вытесняться новыми разработками, но на данынй момент нет ни нормальной теоретической ни технической базы для их замены.

Аккумуляторы литий-полимерные

Литий-полимерные (полное название – литий-твердополимерные) аккумуляторы - это всего лишь усовершенствованный вариант Li-Ion-технологии. В их конструкции изменена лишь одна деталь – жидкий электролит, он заменен твердым материалом. В качестве химической основы электролита по-прежнему используют соли лития, но в данном случае они содержатся в специальной полимерной прокладке, помещенной между анодом и катодом. За счет отказа от жидкого электролита у Li-Pol аккумуляторов появилось несколько преимуществ: так как новые аккумуляторы не нуждаются в металлической оболочке, у них несколько повысилась плотность энергии (130-150 Вт/кг), появилась возможность выпускать Li-Pol батареи в корпусах практически произвольной формы (вот тут-то производители ноутбуков оторвутся!!, в отличие от Li-Ion, которые требуют цилиндрический либо прямоугольный корпус). Данная полезнейшая особенность позволяет не только полностью заполнять аккумулятором батарейный отсек, но и вообще перемещать батарею в ранее недоступные места (в ноутбуках, например, много места "простаивает"  за матрицей дисплея), существенная безопасность, меньшая токсичность, себестоимость, которая практически не отличается от Li-Ion. У этого типа батарей есть шансы вырваться в лидеры по количеству продаж, но на горизонте уже новые разработки, и возможно, Li-Poly аккумуляторами придется пожертвовать ради таких разработок, как серебряно-цинковые батареи и аккумуляторов на основе нанотрубок, и топливных элементов.

Аккумуляторы серебряно-цинковые

Серебряно-цинковые аккумуляторы были разработаны давно, но они не так широко применяются, как другие тиы батарей (из-за их большой себестоимости), на данный момент они активно используются в военно-космической технике, часах, калькуляторах и другой маломощной электронике. Устройство серебряно-цинковых батарей выглядит следующим образом: анод - из цинка, электролит – из гидроксида калия, катод – из оксида серебра. Отличительные особенности таких аккумуляторов: крайне высокая плотность энергии (для реальных образцов – 150-240 Вт/кг, а теоретически – вплоть до 425 Вт/кг), возможность отдавать в нагрузку огромные токи, достаточно низкий саморазряд. Минусы: небольшая долговечность, и маленькое кол-во возможных циклов заряд-разряд. Главная причина выхода из строя таких элементов - это появление так называемых "цинковых дендритов", которые в последствии приводят к короткому замыканию (что может быть гораздо хуже самовозгорания, точнее), а также все тот же электролиз воды (только в данном случае просто добавить воды уже не получится). До недавнего времени такие аккумуляторы были непригодны для использования в бытовой мобильной электронике, правда, последние разработки показали, что с серебряно-цинковыми аккумуляторами не все еще потеряно, и вскоре они должны составить конкуренцию Li-Ion/Li-Poly элементам. Также огромным плюсом является то, что данные разработки безвредны для окружающей среды и абсолютно безопасны.

Аккумуляторы будущего

На данный момент литиевые батареи пока уверенно занимают лидирующие позиции и у них есть неплохой потенциал на будущее благодаря литий-полимерным разработкам. Внедрение серебряно-цинковых аккумуляторов – весьма длительный и дорогостоящий процесс, что, в наше время очень актуально. Технологии топливных элементов и нанотрубок уже много лет в фокусе всех крупных производителей. но техническая база на данный момент еще не готова, по этому такие аккумуляторы существуют как стендовые (размеры и дороговизна производства) и в массовой продаже их еще нет. Данная отрасль, скорее всего, будет развиваться еще не одну сотню лет,скорее всего до тех пор, пока ученым не удастся использовать энергию атома в масштабах пальчиковых батареек.