Задвумя зайцами: эта музыка будет вечной
- Как устроена солевая батарейка
Двадцатый век без сомнений возможно назвать веком электричества. За прошедшее столетие сменилось как минимум пять поколений электронных компонентов. Но одна серьёзная подробность любого портативного электрического устройства существует в неизменном виде уже более 120 лет.
Это — простая батарейка.
С чего все началось
История химических источников тока началась с опытов итальянского исследователя Луиджи Гальвани, что в конце XVIII века понял, что лапка мертвой лягушки при прикосновении к ней железным предметом уменьшается. Скоро на базе этих опытов соотечественник Гальвани Алессандро Вольта создал первую «батарейку» — ванну, наполненную раствором соли, с загружёнными в нее бронзовым и цинковым электродами, а потом — и известный «вольтов столб» — батарею из бронзовых и цинковых дисков с картонными прокладками, пропитанными раствором соли либо кислоты.
Подобные элементы, как ни страно, употреблялись до недавних пор, к примеру в спасательных жилетах: батарея начинала машинально действующий при попадании в морскую воду, которая играла роль электролита. Вы и сами имеете возможность легко сделать батарейку, подобную первому элементу Вольта, из простого лимона. Для этого в лимон два гвоздя либо шурупа — один стальной, а второй бронзовый (латунь либо другие металлы также подойдут).
Ток для того чтобы элемента мал, но напряжение вы сможете легко найти простым вольтметром.
Современные батарейки трудятся в точности по тому же принципу, что и первый элемент Вольта. Два электрода из различных материалов опускаются в раствор, что именуются электролитом. За счет окисления одного материала при сотрудничестве его с электролитом на этом электроде образуется избыток электронов, и при замыкании электродов внешней цепью по ней начинает течь электрический ток.
Реакция, на которой трудится батарейка, — необратимая, она дает ток до тех пор, пока не прореагирует целый запас веществ, заложенных при изготовлении. В заряжаемых элементах — аккумуляторная батареях — реакция обратима (при зарядке реагенты возвращаются к исходному состоянию).
Продолжительная судьба сухого элемента
Батарейки Вольта из-за применения жидкого электролита были очень неудобными в обращении, а запечатать их герметично не получалось: при работе в батарейки выделялся газ, которому нужно было куда-то выходить.
Исходя из этого настоящую революцию произвели так именуемые «сухие» элементы конструкции Карла Гасснера. Во второй половине 80-ых годов девятнадцатого века Гасснер весьма удачно скомпоновал два чужих изобретения: конструкцию элемента Тибо, где анодом и в один момент корпусом батареи служил цинковый стаканчик, и химическую совокупность, изобретенную Жоржем Лекланше во второй половине 60-ых годов XIX века.
Эти элементы, именуемые сейчас солевыми, — одни из самых массовых изделий (мировое производство образовывает больше 20 миллиардов штук в год), а их конструкция фактически не изменилась за 120-летний период с момента изобретения. Благодаря низкой цене солевые батарейки употребляются везде.
Емкость таких батареек размера АА образовывает около одного ампер-часа. Но всецело реализовать ее возможно лишь при маленьких токах и при комнатной температуре. При громадных токах электролит в пористой структуре катода не успевает перемешиваться, почему перенос ионов в батарейки замедляется, и скоро батарейка перестает выдавать требуемый ток.
Это преодолимо, при условии в случае если применять две-три пары таких батареек, меняя их с промежутком приблизительно в один-два часа. В этом случае батарейки «протянут» продолжительнее: за время «отдыха» электролит неспешно перемешивается, и его неоднородности исчезают.
Надпись «High power» на некоторых солевых батарейках свидетельствует, что в качестве электролита в них применяют чистый хлорид цинка вместо смеси его с хлоридом аммония. Такие батарейки владеют повышенной емкостью при громадных нагрузках и при низких температурах, но оба эти результата не через чур велики.
До 10 раз продолжительнее
А как же быть с обещанием работы «до 10 раз продолжительнее»? Это совсем другие батарейки, только напоминающие простые (солевые).
В 50-е годы прошлого века, на фоне расцвета всевозможной электронной техники, потребители столкнулись с недочётом емкости батареек. Во второй половине 50-ых годов двадцатого века Лью Урри, сотрудник компании Eveready (в то время — подразделение компании Union Carbide, на данный момент больше известна под маркой Energizer), создал в безлюдном корпусе простой батарейки элемент со щелочным электролитом.
Новые батарейки он установил в игрушечный автомобиль, в другую такую же игрушку засунул простые солевые батарейки и, поймав вице-главы фирмы Eveready по разработкам Р.Л. Гловера в кафетерии завода, внес предложение ему понаблюдать за гонкой. «Автомобиль со щелочными элементами уже пара раз проехал длину кафетерия, тогда как второй еле-еле двигался — вспоминает сам Урри. — Слух о гонке скоро разнесся по заводу, и народ высыпал из собственных лабораторий поглазеть на это зрелище».
Современные щелочные элементы, конечно, существенно лучше, чем те прототипы, каковые сделал Урри. Они стОят дороже солевых, но, не обращая внимания на это, с 1980-х годов завоевывают все громадную популярность. на данный момент всемирный спрос на эти элементы образовывает больше 10 миллиардов штук в год.
Батарейка наизнанку
Как же устроена щелочная батарейка? Материал анода и катода не изменился, а вот конструкцию простой батарейки словно бы вывернули наизнанку. Анод представляет собой желеобразную смесь щелочного электролита и порошка цинка и отделен от катода полиэфирной мембраной, которая отлично пропускает ионы, так что электролит легко перемешивается.
Именно поэтому щелочные батарейки владеют не только в несколько раз большей номинальной емкостью, но и значительно лучше действующий при громадных нагрузках.
Фактически, как раз при громадном токе потребления тесты и показывают значительное повышение их емкости если сравнивать с солевыми собратьями (емкость которых при громадной нагрузке быстро падает). В случае если же потребляемый ток низок, то брать дорогие щелочные батарейки ненужно. К примеру, в часах время работы обычно определяется не емкостью батарейки, а сроком ее применения.
О щелочных батарейках ходит большое количество мифов. Во-первых, у нас довольно часто щелочные элементы неправильно именуют «алкалиновыми» (от британского alkaline — щелочь). Во-вторых, существует очень много щелочных батареек, существенно различающихся по цене.
Разобраться непросто. Как поведал «Популярной механике» Евгений Анисимов, технический эксперт компании AZ Batteries, множество компаний-производителей бытовой техники заказывают на свободных фабриках партии щелочных батареек для продажи под собственной торговой маркой. Скажем, по причине того, что батарейки Samsung либо IKEA призваны прежде всего рекламировать эти торговые марки, стоить они смогут намного дешевле практически подобных батареек для того чтобы батарейного гиганта, как Duracell.
Цена производства может различаться на проценты, а цена обычно — в разы, и привычную рекламу «зайца Duracell» оплачивают в конечном итоге клиенты.
Существуют и щелочные батарейки, специально предназначенные для энергоемкой цифровой техники. Маленькие трансформации рецептуры, структуры катода и стабилизирующих веществ разрешают этим элементам продолжительнее действующий при высоких токах. Так, к примеру, батарейка GP Ultra Alkaline трудится приблизительно 40 мин. при токе в 1А, а «простая щелочная» GP Super Alkaline — лишь 25. Одновременно с этим при средней нагрузке и меньшем токе в 10 Ом вторая показывает кроме того более большой итог — 18,5 часов против 17 у первой.
Но политика компании такова, что GP Ultra Alkaline выпускаются на европейских фабриках, и маленькое повышение емкости (в некоторых режимах) ведет к увеличению цены в полтора раза. Вычисляйте, что удачнее!
Литиевые элементы
Вершиной батарейной разработке являются литиевые элементы. Изучения, начатые в 1970-х, продемонстрировали возможность создания элементов питания с анодом из столь активного металла, как литий. Напряжение для того чтобы элемента образовывает 2,7 В, и его уже достаточно, дабы разлагать воду на кислород и водород. Исходя из этого литиевые батарейки не должны иметь воды, и в качестве электролита используют раствор солей лития в органическом растворителе.
Не считая всего другого это дает такое важное преимущество, как «морозостойкость»: в отличие от водного электролита щелочных и солевых батареек органический не мёрзнет при 0oС, и батарейка работает впредь до -20oС.
Еще одна особенность — повышенное напряжение: при применении литиевого анода кроме того с простым катодом из оксида марганца напряжение элемента возрастает в целых два раза. Это отлично, потому, что для питания одного и того же прибора литиевых элементов требуется вдвое меньше. Только что же делать, в случае если, напротив, необходимо стандартное напряжение (1,5 В)? «Разрезать» элемент на два с меньшим напряжением нереально, все раз и окончательно определяется выбранными веществами.
Казалось бы, выхода нет, но компания Energizer преодолела проблему, изготовив 1,5-B литиевые батарейки АА. При литиевом аноде единственным выходом стала смена катода — его сделали из пирита (дисульфида железа). Такие батарейки не через чур распространены из-за большой цены, но они имеют собственных поклонников благодаря способности и небольшому весу устойчиво действующий при отрицательных температурах.
Но, не обращая внимания на все успехи в разработках литиевых и щелочных батарей, самыми массовыми так же, как и прежде остаются (и еще не один год останутся) солевые батарейки. Как и сто лет назад.
Самая старая батарейка
По всей видимости, элементы питания изобрели задолго до «вольтовых столбов». В первой половине 30-ых годов двадцатого века в Багдаде археологами нашлась «батарейка» возрастом от двух с половиной до четырех тысяч лет. Находка складывалась из металлического стержня, опущенного в бронзовый цилиндр. Края бронзового цилиндра соединены сплавом олова и свинца, а в качестве изолятора использован битум.
Все устройство было собрано в керамической вазы. Электролитом, предположительно, служил раствор бронзового купороса. Примитивная батарейка давала ток, достаточный для нанесения железных покрытий (образцы которых были обнаружены поблизости) гальваническим способом.
Электрическая экзотика
Кое-какие типы элементов владеют своеобразными особенностями, делающими их незаменимыми для особых потребностей. К примеру, достаточно дорогие серебряно-цинковые батарейки не превосходят по емкости щелочные, и на холоде они трудятся хуже. Но то, что их напряжение не зависит от степени разряда, обусловило широкое их использование для питания наручных часов и других правильных устройств, требующих стабильного напряжения питания. Эти батарейки отличаются от щелочных серебряным катодом.
Еще более дорогие цинк-воздушные элементы благодаря собственной высокой энергоемкости используются в основном в слуховых аппаратах. Так как в том месте любой грамм на счету, а трудиться устройство должно практически неизменно. Но самый экзотический источник питания — это, возможно, созданная в Корнеллском университете «ядерная» батарейка.
Она складывается из полоски фольги и медной пластинки из радиоактивного никеля-63, имеющего период полураспада более 100 лет. При бета-распаде изотопа никеля выделяются электроны. Они попадают на бронзовую пластинку, которая получает отрицательный заряд. Никелевая фольга, теряя электроны, наоборот, заряжается положительно.
Мощность таких батареек очень мелка (в миллионы раз меньше мощности простой батарейки). Но время их независимой работы — 50 лет! Такие элементы предполагается применять в независимых датчиках на космических аппаратах, под водой и глубоко под почвой.
Зарядом померимся?
В батарейках Duracell возможно встретить индикатор заряда Powercheck. Нажимая на два контакта, мы видим желто-зеленую полосу, протяженность которой пропорциональна оставшемуся заряду. Никакой магии в этом нет: замыкая цепь, мы пропускаем ток через сужающийся к одному из финишей проводник, покрытый термохромной краской (меняет цвет при нагревании). Степень нагрева проводника (а значит, и «закрашенная» область) зависит от его тока и сечения, что определяется разряженностью батарейки.
Посредством индикатора комфортно оценивать «оставшийся заряд», но не следует делать это через чур довольно часто — как каждая нагрузка, он разряжает батарейку.
Соперники: топливные элементы
До какого именно предела возможно наращивать емкость батарейки? Емкость зависит от размера батарейки, другими словами ограничена числом веществ, каковые возможно при изготовлении батарейки заложить в ее корпус. В то время, когда «горючее» химической реакции, дающей энергию, закончится, батарейку нужно будет выбросить. Единственный метод пополнить запас «горючего» — это применять экспериментальный до тех пор пока источник питания, топливные элементы.
Топливный элемент напрямую преобразует химическую энергию «горючего» в электрическую посредством окисления на особых катализаторах. Для портативной электронной техники самый перспективен элемент, трудящийся на метаноле. КПД метанольного топливного элемента — около 50%.
Но часть энергии все же уходит в тепло, так что действенное охлаждение батареи — очень насущная задача. Согласно расчетам, от одной заправки батареи ноутбук сможет трудиться от 8 до 20 часов. Цена метанола мала, что точно будет играться решающую роль в распространении этих элементов.
Но не обращая внимания на то, что эра топливных элементов уже прейдет скоро, вряд ли это завершит век классических батареек.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№28, февраль 2005).
<
h4>