История батарейки

Статья предоставлена журналом HPC.ru

Взгляните на свой сотовый телефон, КПК или ноутбук: благодаря стремительному технологическому прогрессу стали широкодоступными устройства, которые еще десять-пятнадцать лет можно было увидеть лишь в фантастических фильмах. И среди этого расцветшего буйным цветом хайтека совершеннейшим анахронизмом представляется обычная батарейка. Подумать только, принципы, лежащие в основе всех современных элементов питания были открыты даже не в прошлом веке, а гораздо раньше. И с тех пор они претерпели не столь большие изменения, которые в основном заключались в уменьшении размеров и применении более совершенных материалов.

Казалось бы, в мире гигагерцев и нанотехнологий такое "старье" должно отойти на задний план. Но с появлением большого количества современных мобильных устройств (плееров, КПК, фото- и видеокамер, ноутбуков etc) мы наблюдаем обратную тенденцию - аккумуляторы и батарейки стали не менее важной деталью, чем процессоры. Все зависит именно от емкости источника питания. А без него даже самый навороченный гэджет будет абсолютно бесполезен.

Вообще-то, столь солидный возраст технологии - это даже хорошо. За этот срок ученые и исследователи изучили проблему во всех подробностях. Современные "дураселлы" далеко ушли от батарей Вольты двухвековой давности. И теперь производители тратят очень большие деньги для улучшения параметров своих изделий и уменьшения их размеров. А двигателем этого процесса является постоянное стремление производителей электроники к миниатюризации.

Все последние разработки в этой сфере пытаются удовлетворить потребности современной мобильной техники. Дело в том, что они даже работают по-новому, совсем не так, как радиоприемники или фонарики. Всем этим цифровым камерам, карманным компьютерам и CD-MD-MMC-MP3-плеерам необходимы батарейки, которые выдерживают резкие скачки напряжения, возникающие во время включения экранов, раскручивания дисков и выхода из "спячки".

В отличие от компьютерных компаний, свято чтящих закон Мура, у фирм, выпускающих элементы питания, нет иллюзий по поводу ближайшего (и даже не очень) будущего. Предыдущие десятилетия (!) научили их не ждать чудесного появления новых технологий, которые увеличат емкость батарей вдвое. Напротив, надо кропотливо работать, постепенно улучшая имеющиеся. Достаточно сказать, что за десять лет существования литий-полимерных батарей ресурс этой технологии еще исчерпан не полностью и поэтому лучшие умы отрасли продолжают по проценту, по полпроцента увеличивать их удельную емкость.

Батареи прошли долгий путь развития, но им предстоит еще не мало послужить людям. Далее мы расскажем вам об истории создания батареек, а также попытаемся понять, что ждет их впереди. Ну а для начала разберемся, как они работают и что у них внутри.

Батареи - это устройства, накапливающие энергию, которую они потом отдают потребляющему эту самую энергию устройству. Впрочем, под такое определение подпадают также маховики или, скажем, часовые пружины. К сожалению, на данный момент на российском рынке заводные модели сотовых телефонов или КПК не представлены совсем, поэтому оставим эту интересную тему до лучших времен. Опустим также рассказ про свинцовые аккумуляторные батареи - несмотря на то, что они имеют огромную емкость, их мобильность (не путайте с автомобильностью) оставляет желать лучшего.

То, что мы обычно подразумеваем под словом "батарея", можно описать следующими словами: изолированная система, в которой протекают химические процессы, в результате которых вырабатывается электрическая энергия.

Появление переносных компьютеров, а также множества других мобильных "штучек", дало новый толчок к развитию технологий автономного питания. Если посмотреть на обычные компьютеры, то они питаются от сети, а потому практически не используют батареи. В качестве исключений можно назвать CMOS-батарейку на материнской плате, аккумуляторы устройств бесперебойного питания (UPS’ов), ну и, по мелочи, "пальчики", которые вставляются в разного рода беспроводные мыши, клавиатуры и т.п. То ли дело мобильные устройства: тут даже спорить не о чем, трудно назвать хотя бы одно, в котором бы не стояла батарейка (или аккумулятор).

Кроме того, при всем разнообразии форм и размеров, по большому счету все они используют практически одинаковые элементы питания. То есть, скажем, и мобильный телефон, и ноутбук оснащаются одними и теми же Li-Ion-аккумуляторами, хотя по форме и емкости их сравнивать трудно.

В то же время, принципиальная схема всех батарей, производимых для массового потребителя практически одинакова. Два электрода - катод и анод - изготавливаются из двух разных металлов (строго говоря, они должны иметь различную степень окисления). Пространство между ними заполнено третьим материалом, называемым электролитом. Широкий выбор компонентов позволяет создавать по единой схеме множество типов батарей, имеющих порой диаметрально противоположные свойства, различную удельную емкость (отношение максимального заряда батареи к ее объему) и номинальное напряжение.

История

Принято считать, что основные принципы работы, использующиеся и по сей день, были открыты в конце XVIII века итальянским физиком и естествоиспытателем Алессандро Вольтой (1745-1827). Именно тогда, работая в университете города Павия, он заинтересовался "животным электричеством", открытым несколькими годами ранее его соотечественником Луиджи Гальвани (в его честь электрохимические элементы питания часто называют гальваническими). Вольта доказал, что именно ток, вырабатываемый при контакте двух различных металлов, вызывает наблюдавшееся сокращение мышц в лягушачьих лапках. Этим он опроверг предположение Гальвани о том, что электричество вырабатывается в мышцах. Для того, чтобы доказать свою точку зрения, он наполнил соляным раствором две чаши и соединил их металлическими дугами. Один конец этих дуг был медным, а другой цинковый. Они были установлены так, что в каждой чаше было по одному электроду каждого типа. Эта конструкция и стала первой батареей, вырабатывающей электричество за счет химического взаимодействия двух металлов в растворе. В 1800 г. он усовершенствовал ее, создав свой знаменитый "вольтов столб", первый источник постоянного тока. Он представлял собой 20 пар кружочков, изготовленных из двух различных металлов, проложенных кусочками кожи или ткани, смоченных в соляном растворе. В знак признания заслуг итальянского ученого, его именем была названа единица электрического напряжения - вольт.

Другие экспериментаторы обратили внимание на полученные результаты. Они усовершенствовали вольтов столб, создав новые типы батарей. К примеру, в 1836 г. английский химик Джон Дэниелл поместил медные и цинковые электроды в емкость с серной кислотой. Эта батарея получила название "плоскостной элемент" или "элемент Дэниела". Три года спустя другой англичанин, Уильям Р. Гроув, добавил окислитель для предотвращения накопления водорода около катода, что приводило к снижению напряжения на выходе. Были и другие попытки улучшить первоначальную конструкцию, но ни одно из этих примитивных устройств не используется в наши дни.

Первый значительный прорыв был совершен французом Гастоном Плантэ. В 1859 г. он провел интересный опыт, внешне похожий на то, что проделал Вольта. В его гальваническом элементе в качестве электродов использовались свинцовые пластины, а электролитом являлась разбавленная серная кислота. Плантэ подключил к элементам источник постоянного тока, и некоторое время заряжал батарею. После этого прибор стал сам вырабатывать электричество, выдавая почти всю энергию, потраченную на зарядку. Причем подзаряжать его можно было много раз. Именно так и появился тот самый свинцовый аккумулятор, который еще долго будет использоваться во всех производимых автомобилях.

Еще один прибор-долгожитель был разработан и запатентован другим французским изобретателем, Жоржем Лекланше в 1866 году. Названный в его честь элемент послужил прообразом современных "сухих" батарей, правда, изначально он такому названию не соответствовал. Дело в том, что в варианте, предложенном Лекланше, электролит был жидким. В производимых же сейчас батарейках он заменен на желеобразный для того, чтобы не допустить вытекания содержимого и порчи оборудования, которое эта батарея питает. В остальном же, за это время технология почти не изменилась. Как и полтора века назад, сухие элементы представляют собой цинковый стаканчик (анод), в который вставлен графитовый стержень (катод), а внутреннее пространство заполнено электролитом. По такой технологии выпускают самые дешевые и массовые источники питания, которые вставляют в фонарики, плееры, детские игрушки и т.п.

Впрочем, в своем оригинальном "мокром" виде элементы Лекланше не были ни компактными, ни надежными. Поэтому многочисленные рационализаторы многократно пытались улучшить его потребительские качества, например, помещая в герметичную упаковку, не допускающую утечки электролита.

Продолжение [1] [2] [3]