Аккумуляторы питают все: что известно о технологии, на которой держится современный мир

Современный мир, каким мы его знаем, был бы невозможен без батарей. От мобильных телефонов и до электрокаров — аккумуляторы питают множество портативных электронных устройств вокруг нас. Это удобный и портативный источник электроэнергии, позволяющий нам оставаться на связи, эффективно работать и сделать возможным более устойчивое будущее благодаря подзарядке от возобновляемых источников энергии. Инновации в аккумуляторных технологиях стимулируют прогресс в различных отраслях. Эксперты постоянно стремятся улучшить производительность батарей за счет увеличения плотности энергии, сокращения времени зарядки и увеличения общего срока службы, чтобы сделать нашу жизнь проще.

Фокус перевел статью из издания Interesting Engineering о том, как развивались аккумуляторные технологии.

Как появились аккумуляторы: немного истории

До изобретения современных батарей, в XVIII веке, использовались так называемые "лейденские банки", хранившие электрический заряд. Эти "банки" можно считать ранней версией конденсаторов, которые физически сохраняли свой заряд и высвобождали его весь сразу, в отличие от современных устройств. Чтобы увеличить силу заряда, ученым приходилось соединять множество банок между собой. Однако уже в конце 18 века Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта провели эксперименты с "вольтовыми столбами", созданными путем чередования слоев цинковых и медных дисков со слоями картона, пропитанного соляным раствором. Благодаря "столбам" удалось сгенерировать непрерывный поток электричества. Изобретение Вольты проложило путь к разработке аккумуляторов, способных накапливать и отдавать электроэнергию.

В начале 1800-х годов Джон Фредерик Даниэлл презентовал инновационное устройство — "ячейку Даниэлла" — где использовались отдельные растворы электролитов с медными и цинковыми электродами, что значительно снижало внутреннее сопротивление, улучшало стабильность и повышало эффективность. "Ячейка Даниэлла" оказалась надежным источником питания для телеграфных сетей, сделав возможной связь на большие расстояния.

В 1859 году Гастон Планте создал свинцово-кислотную батарею, которую можно было перезаряжать. Она работала благодаря электродам из свинца и диоксида свинца, погруженным в сернокислотный электролит. Это изобретение было революционным в области хранения энергии, открыв двери для широкого использования батарей в различных областях. К ним относятся ранние электромобили, а также стационарные энергосистемы.

В середине 20 века росла потребность в компактных и надежных батареях для питания новых электронных устройств. Льюис Урри разработал щелочную батарею, чтобы удовлетворить этот спрос — Eveready Battery Company позже представила ее как широко используемую щелочно-диоксидмарганцевую батарею. А уже к концу века литиевые батареи начали широко использоваться для питания портативных устройств (плееры, видеокамеры), и в этом большая заслуга компании Sony.

Основные виды аккумуляторов

Батареи делятся на два основных вида: "первичные" и "вторичные".

• Первичная батарея служит для питания портативных устройств (фонари, фотоаппараты, часы, игрушки, радиоприемники). Однако ее нельзя перезарядить, а после использования необходимо выбросить. Но ее плюс в дешевизне и минимальном обслуживании. Такие батареи мы называем пальчиковыми, кнопочными.
• Вторичная батарея, или перезаряжаемая, после разрядки может заряжаться от электричества. Пропустив через элементы ток в направлении, противоположном их разряду, гальванические элементы можно вернуть в исходное состояние. Вторичные батареи используют в качестве накопителей энергии (пауэрбанки), или в качестве основной батареи, например, как у смартфонов. Стоит отметить, что перезаряжаемые батареи имеют меньшую плотность энергии, но обладают высокой плотностью мощности, плоскими кривыми разряда, высокой скоростью разряда и хорошими низкотемпературными характеристиками.

Существует много типов вторичных батарей, но наиболее распространенными являются:

1. Свинцово-кислотные.
2. Никель-кадмиевые.
3. Никель-металлогидридные.
4. Литий-ионные.
5. Натрий-ионные.

Литий-ионные батареи: для портативной электроники и электрокаров

Литиевые батареи широко используются из-за высокой плотности энергии, т.е. они способны хранить больше энергии, чем другие типы батарей. Их преимуществами также являются: легкость, возможность хорошо работать при экстремальных температурах, срок годности около 10 лет. Однако они легко воспламеняются и требуют специальной утилизации в конце срока службы.

Литиевые батареи имеют более высокие номинальные значения в миллиампер-часах (мАч), чем другие неперезаряжаемые батареи, и доступны в размерах AA, AAA и 9V. Одна литиевая батарея AA с диапазоном 2700-3400+ мАч может работать долгое время даже при интенсивном использовании. Другие типы, особенно литий-ионные (Li-ion), также являются перезаряжаемыми.

Свинцово-кислотные аккумуляторы: для авто и систем резервного питания

Свинцово-кислотные батареи — самые популярные из перезаряжаемых батарей. Они бывают различных конфигураций, начиная от небольших герметичных ячеек емкостью 1 Ач и заканчивая большими ячейками емкостью 12 000 Ач. Их используют в качестве пусковых, осветительных и запальных (SLI) аккумуляторов для авто, для хранения энергии, для аварийного питания, для электрических и гибридных транспортных средств, систем связи и систем аварийного освещения. Широкая область применения обусловлена широким диапазоном напряжения, разнообразными формами и размерами, низкой стоимостью и простотой обслуживания.

Никель-кадмиевые аккумуляторы: надежны и долговечны

Никель-кадмиевые батареи (NiCd), обычно используются в игрушках, цифровых камерах, фонариках и других устройствах с высоким энергопотреблением. Они доступны в стандартных размерах AA, AAA, C и 9V. В отличие от щелочных батарей, NiCd-батареи сохраняют постоянное напряжение до полной разрядки. Они, как правило, недорогие, быстро разряжаются и могут работать на полную мощность. Минусы в том, что они плохо хранятся в течение длительного времени и требуют полной разрядки перед перезарядкой, содержат токсичные металлы и требуют специальной утилизации.

Никель-металлогидридные батареи: гибридные авто и портативные гаджеты

Хотя NiMH-аккумуляторы имеют высокую плотность энергии, считаются относительно безопасными для окружающей среды и могут работать на полную мощность. Обычно они поставляются разряженными, поэтому перед первым использованием их необходимо полностью зарядить, но чрезмерная зарядка может снизить их емкость.

Эти устройства потребляют минимальное количество энергии, поэтому их лучше всего использовать в течение 30–60 дней. Как и никель-кадмиевые батареи, никель-металлогидридные батареи сохраняют полную емкость до почти полной разрядки.

Натрий-ионные аккумуляторы: новая технология

Натрий-ионный аккумулятор похож на литий-ионный, но в качестве носителей заряда используются ионы натрия (Na+) вместо ионов лития (Li+). Принципы работы и конструкция элемента практически идентичны, но вместо лития используются соединения натрия. Натрий-ионные батареи являются потенциальной альтернативой литий-ионным технологиям из-за более низкой стоимости, доступности и меньшего воздействия на окружающую среду, так как используются дешевый и распространенный натрий и алюминий вместо лития и меди.

Из чего состоят батареи: основные компоненты

Аккумуляторы состоят из анода, катода и электролита с сепаратором для предотвращения контакта. И анод, и катод являются типами электродов — проводников, по которым электричество входит или выходит из компонента в цепи. Давайте рассмотрим их поближе.

Анод

Электроны вытекают из анода в цепь, когда в нее течет обычный ток. В батарее в результате реакции анода и электролита образуются электроны, которые хотят двигаться по направлению к катоду, но не могут пройти через электролит или сепаратор, пока цепь не замкнется.

Катод

Электроны текут к катоду через внешнюю цепь в устройстве. В батареях катод подвергается химической реакции с использованием электронов, образующихся в аноде.

Электролит

Электролит — это вещество, которое переносит ионы между анодом и катодом, в то же время подавляя поток электронов, поэтому они легко проходят через внешнюю цепь. Электролит необходим для работы аккумулятора. Поскольку электроны не могут пройти через него, они "путешествуют" по электрическим проводникам в цепи, соединяющей анод с катодом.

Сепаратор

Сепараторы предотвращают соприкосновение анода и катода, что может привести к короткому замыканию. Они могут быть изготовлены из хлопка, нейлона, полиэстера, картона или синтетических полимерных пленок. Ионы в электролите могут иметь положительный или отрицательный заряд и разные размеры. Специальные сепараторы могут избирательно обеспечивать прохождение ионов.

Корпус

Большинству батарей требуются корпуса для содержания их химических компонентов. Они могут быть изготовлены из пластика, стали, мягкого полимерного ламината и других материалов. В некоторых батареях используется проводящий стальной корпус, электрически соединенный с одним из электродов, например, с катодом обычного щелочного элемента типа АА.

Основные принципы работы аккумулятора

Основными составляющими батареи являются анод (положительный электрод), катод (отрицательный электрод) и электролит. Давайте рассмотрим, что между ними происходит, чтобы батарея работала.

Итак, функционирование аккумулятору обеспечивают окислительно-восстановительные реакции, связанные с переносом электронов от одной молекулы (или атома) к другой. На аноде происходит окисление, чтобы высвободились электроны. Например, в классической угольно-цинковой батарее металлический цинк на аноде окисляется до ионов цинка. Эти электроны текут к катоду через внешнюю цепь, обеспечивая электрическую энергию. На катоде происходит процесс восстановления, когда положительные ионы присоединяют электроны. В угольно-цинковой батарее, например, поступающие электроны восстанавливают диоксид марганца на катоде.

Электролит в батарее позволяет ионам перемещаться между электродами, предотвращая прямой поток электронов между электродами внутри батареи. Это движение ионов поддерживает нейтральность заряда внутри батареи. Затем батарея вырабатывает энергию путем преобразования химической энергии в электрическую посредством электрохимических реакций.

Что такое емкость, плотность энергии, напряжение в контексте батареи

Емкость измеряет общий заряд батареи, часто выражаемый в миллиампер-часах (мАч) или ампер-часах (Ач). Емкость батареи дает нам представление о том, как долго батарея может обеспечивать определенный ток. Например, батарея емкостью 2000 мАч должна обеспечивать ток 2000 мА в течение 1 ч.

Напряжение измеряется в вольтах (В). Это, по сути, "давление", управляющее потоком электронов от анода к катоду. Номинальное напряжение элемента батареи определяется ее химическим составом. Например, литий-ионный элемент имеет номинальное напряжение около 3,6 В.

Плотность энергии измеряет энергию, которую батарея может хранить на единицу объема, часто выражаемую в ватт-часах на литр (Втч/л). Плотность энергии является ключевым показателем того, сколько энергии может хранить батарея для своего размера или веса. Устройства с высокой плотностью энергии устанавливаются на электромобили и смартфоны, поскольку они могут хранить больше энергии в меньшем пространстве.

Где чаще всего используют аккумуляторы и батареи

Бытовая электроника

Бытовая электроника, такая как смартфоны, ноутбуки и носимые устройства, работает от аккумуляторов. Литий-ионные батареи широко используются из-за их высокой плотности энергии и возможности перезарядки, что позволяет интегрировать такие функции, как мобильный Интернет, экраны высокой четкости и сложные вычисления.

Электромобили

Аккумуляторы имеют решающее значение для электротранспорта — от электромобилей до автобусов и грузовиков. Высокая плотность энергии и мощности необходима для дальних поездок, быстрой зарядки и ускорения. Поэтому при разработке батарей для электромобилей основное внимание уделяется снижению затрат и повышению безопасности.

Аккумулирование возобновляемой энергии

Поскольку использование возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия, продолжает расти, растет и спрос на решения для хранения энергии, чтобы сбалансировать спрос и предложение. Аккумуляторы могут накапливать избыточную энергию, произведенную в периоды высокой возобновляемой генерации, например, в солнечные или ветреные периоды, а затем подавать эту энергию в сеть в периоды высокого спроса или когда возобновляемая генерация низкая, например, ночью или в безветренную погоду. Для этой цели используются сетевые системы накопления энергии, начиная от небольших бытовых систем и заканчивая крупными аккумуляторными установками.

Аэрокосмическая промышленность и оборона

В аэрокосмической промышленности аккумуляторы играют решающую роль в запуске авиационных двигателей и питании бортовых электрических систем. Батареи также устанавливаются на спутники и вездеходы, и накапливают энергию, вырабатываемую солнечными панелями. Кроме того, они используются в оборонных целях для питания военной техники и транспортных средств. Из-за характера этих применений батареи должны быть надежными, безопасными и способными работать в экстремальных условиях.

Медицинское оборудование

Батареи необходимы для работы различных медицинских устройств, включая портативные устройства, такие как слуховые аппараты и инсулиновые помпы, а также более крупное оборудование, как дефибрилляторы. Кроме того, батареи используются в имплантируемых устройствах, — кардиостимуляторы и нейростимуляторы, — которые требуют очень высокой надежности и долговечности. В этих случаях производительность батареи может напрямую влиять на здоровье и безопасность пациентов.

Развитие аккумуляторных технологий

Твердотельные батареи

В отличие от жидких, или гелевых, электролитов, в аккумуляторах такого типа используется твердый электролит, керамика, стекло или твердый полимер. Это дает ряд преимуществ: более высокую плотность энергии (что позволяет увеличить запас хода для электромобилей или увеличить срок службы электроники), лучшую безопасность (твердые электролиты, как правило, более стабильны, поэтому риск возгорания снижается).

Несмотря на преимущества, есть и проблемы, состоящие в сложности производства и обеспечении длительного срока службы. Однако многочисленные компании и исследовательские институты работают над преодолением этих препятствий и коммерциализацией твердотельных батарей.

Проточные батареи

Проточные батареи — решение для крупномасштабного и длительного хранения энергии. Они хранят химическую энергию во внешних резервуарах, преобразуя ее в электричество в электрохимических элементах, которые можно масштабировать независимо друг от друга. Проточные батареи обычно имеют более низкую плотность энергии, чем литий-ионные. Тем не менее, их потенциал для длительного срока службы с минимальной потерей мощности и их способность разряжать мощность в течение продолжительных периодов времени делают их привлекательными для применения в энергосистемах.

Альтернативы литий-ионным батареям

Хотя литий-ионные батареи доминируют на рынке перезаряжаемых батарей, ученые ищут им замену, чтобы преодолеть их ограничения и удовлетворить растущий спрос на накопители энергии. Альтернативными можно считать натрий-ионные, магниево-ионные, цинк-ионные и литий-серные батареи. Каждая альтернатива имеет преимущества вроде низкой стоимости, улучшенной безопасности или повышенной плотности энергии, но пока что выйти на рынок ни одна из них не может, т.к. необходимы исследования и разработки.

Так что же дальше? Каким будет мир без батареек?

Область аккумуляторных технологий быстро развивается из-за потребительского спроса, экологических требований и технологических достижений. Усовершенствования, безусловно, необходимы для решения экологических проблем, повышения эффективности электронных устройств, снижения энергозатрат, безопасности, повышения производительности и интеграции с интеллектуальными сетями и устройствами IoT. Можно утверждать, что аккумуляторные устройства имеют ключевое значение для глобального перехода к зеленой энергетике.

Важно

Смартфоны и авто станут дешевле: ученые нашли замену литиевым батареям (видео)