Акумулятори живлять усе: що відомо про технологію, на якій тримається сучасний світ

Сучасний світ, яким ми його знаємо, був би неможливий без батарей. Від мобільних телефонів і до електрокарів — акумулятори живлять безліч портативних електронних пристроїв навколо нас. Це зручне та портативне джерело електроенергії, що дає нам змогу залишатися на зв'язку, ефективно працювати та уможливити більш стійке майбутнє завдяки підзарядці від поновлюваних джерел енергії. Інновації в акумуляторних технологіях стимулюють прогрес у різних галузях. Експерти постійно прагнуть поліпшити продуктивність батарей завдяки збільшенню щільності енергії, скороченню часу заряджання і збільшенню загального терміну служби, щоб зробити наше життя простішим.

Фокус переклав статтю з видання Interesting Engineering про те, як розвивалися акумуляторні технології.

Як з'явилися акумулятори: трохи історії

До винаходу сучасних батарей, у XVIII столітті, використовувалися так звані "лейденські банки", що зберігали електричний заряд. Ці "банки" можна вважати ранньою версією конденсаторів, які фізично зберігали свій заряд і вивільняли його весь відразу, на відміну від сучасних пристроїв. Щоб збільшити силу заряду, вченим доводилося з'єднувати безліч банок між собою. Однак уже наприкінці 18 століття Луїджі Гальвані та Алессандро Вольта провели експерименти з "вольтовими стовпами", створеними шляхом чергування шарів цинкових і мідних дисків із шарами картону, просоченого соляним розчином. Завдяки "стовпам" вдалося згенерувати безперервний потік електрики. Винахід Вольти проклав шлях до розроблення акумуляторів, здатних накопичувати і віддавати електроенергію.

На початку 1800-х років Джон Фредерік Даніелл презентував інноваційний пристрій — "осередок Даніелла", де використовували окремі розчини електролітів із мідними та цинковими електродами, що значно знижувало внутрішній опір, покращувало стабільність і підвищувало ефективність. "Комірка Даніелла" виявилася надійним джерелом живлення для телеграфних мереж, зробивши можливим зв'язок на великі відстані.

У 1859 році Гастон Планте створив свинцево-кислотну батарею, яку можна було перезаряджати. Вона працювала завдяки електродам зі свинцю і діоксиду свинцю, зануреним у сірчанокислотний електроліт. Цей винахід був революційним у сфері зберігання енергії, відкривши двері для широкого використання батарей у різних галузях. До них належать ранні електромобілі, а також стаціонарні енергосистеми.

У середині 20 століття зростала потреба в компактних і надійних батареях для живлення нових електронних пристроїв. Льюїс Уррі розробив лужну батарею, щоб задовольнити цей попит — Eveready Battery Company пізніше представила її як широко використовувану лужно-діоксидмарганцеву батарею. А вже до кінця століття літієві батареї почали широко використовуватися для живлення портативних пристроїв (плеєри, відеокамери), і в цьому велика заслуга компанії Sony.

Основні види акумуляторів

Батареї поділяються на два основні види: "первинні" і "вторинні".

• Первинна батарея слугує для живлення портативних пристроїв (ліхтарі, фотоапарати, годинники, іграшки, радіоприймачі). Однак її не можна перезарядити, а після використання необхідно викинути. Але її плюс у дешевизні та мінімальному обслуговуванні. Такі батареї ми називаємо пальчиковими, кнопковими.
• Вторинна батарея, або перезаряджається, після розрядки може заряджатися від електрики. Пропустивши через елементи струм у напрямку, протилежному до їхнього розряду, гальванічні елементи можна повернути в початковий стан. Вторинні батареї використовують як накопичувачі енергії (павербанки), або як основну батарею, наприклад, як у смартфонів. Варто зазначити, що батареї, що перезаряджаються, мають меншу щільність енергії, але мають високу щільність потужності, плоскі криві розряду, високу швидкість розряду і хороші низькотемпературні характеристики.

Існує багато типів вторинних батарей, але найпоширенішими є:

1. Свинцево-кислотні.
2. Нікель-кадмієві.
3. Нікель-металогідридні.
4. Літій-іонні.
5. Натрій-іонні.

Літій-іонні батареї: для портативної електроніки та електрокарів

Літієві батареї широко використовуються через високу щільність енергії, тобто вони здатні зберігати більше енергії, ніж інші типи батарей. Їхніми перевагами також є: легкість, можливість добре працювати за екстремальних температур, термін придатності близько 10 років. Однак вони легко спалахують і потребують спеціальної утилізації наприкінці терміну служби.

Літієві батареї мають вищі номінальні значення в міліампер-годинах (мА-год), ніж інші неперезаряджувальні батареї, і доступні в розмірах AA, AAA і 9V. Одна літієва батарея AA з діапазоном 2700-3400+ мАгод може працювати тривалий час навіть за інтенсивного використання. Інші типи, особливо літій-іонні (Li-ion), також є перезаряджувальними.

Свинцево-кислотні акумулятори: для авто та систем резервного живлення

Свинцево-кислотні батареї — найпопулярніші з батарей, що перезаряджаються. Вони бувають різних конфігурацій, починаючи від невеликих герметичних осередків ємністю 1 Агод і закінчуючи великими осередками ємністю 12 000 Агод. Їх використовують як пускові, освітлювальні та запальні (SLI) акумулятори для авто, для зберігання енергії, для аварійного живлення, для електричних і гібридних транспортних засобів, систем зв'язку та систем аварійного освітлення. Широка сфера застосування зумовлена широким діапазоном напруги, різноманітними формами і розмірами, низькою вартістю і простотою обслуговування.

Нікель-кадмієві акумулятори: надійні та довговічні

Нікель-кадмієві батареї (NiCd) зазвичай використовуються в іграшках, цифрових камерах, ліхтариках та інших пристроях з високим енергоспоживанням. Вони доступні в стандартних розмірах AA, AAA, C і 9V. На відміну від лужних батарей, NiCd-батареї зберігають постійну напругу до повної розрядки. Вони, як правило, недорогі, швидко розряджаються і можуть працювати на повну потужність. Мінуси в тому, що вони погано зберігаються протягом тривалого часу і потребують повного розрядження перед перезарядженням, містять токсичні метали і потребують спеціальної утилізації.

Нікель-металогідридні батареї: гібридні авто та портативні гаджети

Хоча NiMH-акумулятори мають високу щільність енергії, вони вважаються відносно безпечними для довкілля і можуть працювати на повну потужність. Зазвичай вони постачаються розрядженими, тому перед першим використанням їх необхідно повністю зарядити, але надмірне заряджання може знизити їхню ємність.

Ці пристрої споживають мінімальну кількість енергії, тому їх найкраще використовувати протягом 30-60 днів. Як і нікель-кадмієві батареї, нікель-металогідридні батареї зберігають повну ємність до майже повного розрядження.

Натрій-іонні акумулятори: нова технологія

Натрій-іонний акумулятор схожий на літій-іонний, але як носії заряду використовуються іони натрію (Na+) замість іонів літію (Li+). Принципи роботи і конструкція елемента практично ідентичні, але замість літію використовуються сполуки натрію. Натрій-іонні батареї є потенційною альтернативою літій-іонним технологіям через більш низьку вартість, доступність і менший вплив на навколишнє середовище, адже використовують дешевий і поширений натрій і алюміній замість літію і міді.

З чого складаються батареї: основні компоненти

Акумулятори складаються з анода, катода та електроліту із сепаратором для запобігання контакту. І анод, і катод є типами електродів — провідників, якими електрика входить або виходить з компонента в ланцюзі. Давайте розглянемо їх детальніше.

Анод

Електрони витікають з анода в ланцюг, коли в нього тече звичайний струм. У батареї внаслідок реакції анода й електроліту утворюються електрони, які хочуть рухатися в напрямку до катода, але не можуть пройти через електроліт або сепаратор, поки ланцюг не замкнеться.

Катод

Електрони течуть до катода через зовнішній ланцюг у пристрої. У батареях катод піддається хімічній реакції з використанням електронів, що утворюються в аноді.

Електроліт

Електроліт — це речовина, яка переносить іони між анодом і катодом, водночас пригнічуючи потік електронів, тому вони легко проходять через зовнішній ланцюг. Електроліт необхідний для роботи акумулятора. Оскільки електрони не можуть пройти через нього, вони "мандрують" електричними провідниками в ланцюзі, що з'єднує анод із катодом.

Сепаратор

Сепаратори запобігають зіткненню анода і катода, що може призвести до короткого замикання. Вони можуть бути виготовлені з бавовни, нейлону, поліестеру, картону або синтетичних полімерних плівок. Іони в електроліті можуть мати позитивний або негативний заряд і різні розміри. Спеціальні сепаратори можуть вибірково забезпечувати проходження іонів.

Корпус

Більшості батарей потрібні корпуси для утримання їхніх хімічних компонентів. Вони можуть бути виготовлені із пластику, сталі, м'якого полімерного ламінату та інших матеріалів. У деяких батареях використовується провідний сталевий корпус, електрично з'єднаний з одним з електродів, наприклад, з катодом звичайного лужного елемента типу АА.

Основні принципи роботи акумулятора

Основними складовими батареї є анод (позитивний електрод), катод (негативний електрод) і електроліт. Давайте розглянемо, що між ними відбувається, щоб батарея працювала.

Отже, функціонування акумулятору забезпечують окислювально-відновні реакції, пов'язані з перенесенням електронів від однієї молекули (або атома) до іншої. На аноді відбувається окислення, щоб вивільнилися електрони. Наприклад, у класичній вугільно-цинковій батареї металевий цинк на аноді окислюється до іонів цинку. Ці електрони течуть до катода через зовнішній ланцюг, забезпечуючи електричну енергію. На катоді відбувається процес відновлення, коли позитивні іони приєднують електрони. У вугільно-цинковій батареї, наприклад, електрони, що надходять, відновлюють діоксид марганцю на катоді.

Електроліт у батареї дозволяє іонам переміщатися між електродами, запобігаючи прямому потоку електронів між електродами всередині батареї. Цей рух іонів підтримує нейтральність заряду всередині батареї. Потім батарея виробляє енергію шляхом перетворення хімічної енергії в електричну за допомогою електрохімічних реакцій.

Що таке ємність, щільність енергії, напруга в контексті батареї

Ємність вимірює загальний заряд батареї, який часто виражають у міліампер-годинах (мАгод) або ампер-годинах (Агод). Ємність батареї дає нам уявлення про те, як довго батарея може забезпечувати певний струм. Наприклад, батарея ємністю 2000 мАгод повинна забезпечувати струм 2000 мА протягом 1 год.

Напруга вимірюється у вольтах (В). Це, по суті, "тиск", що керує потоком електронів від анода до катода. Номінальна напруга елемента батареї визначається її хімічним складом. Наприклад, літій-іонний елемент має номінальну напругу приблизно 3,6 В.

Щільність енергії вимірює енергію, яку батарея може зберігати на одиницю об'єму, часто виражену у ваттах-годинах на літр (Втгод/л). Щільність енергії є ключовим показником того, скільки енергії може зберігати батарея для свого розміру або ваги. Пристрої з високою щільністю енергії встановлюються на електромобілі та смартфони, оскільки вони можуть зберігати більше енергії в меншому просторі.

Важливо

Створено першу у світі "безпечну" алюміній-іонну батарею: як ученим це вдалося

Де найчастіше використовують акумулятори та батареї

Побутова електроніка

Побутова електроніка, така як смартфони, ноутбуки та носимі пристрої, працює від акумуляторів. Літій-іонні батареї широко використовуються через їхню високу щільність енергії та можливість перезаряджання, що дає змогу інтегрувати такі функції, як мобільний Інтернет, екрани високої чіткості та складні обчислення.

Електромобілі

Акумулятори мають вирішальне значення для електротранспорту — від електромобілів до автобусів і вантажівок. Висока щільність енергії та потужності необхідна для далеких поїздок, швидкого заряджання і прискорення. Тому при розробці батарей для електромобілів основна увага приділяється зниженню витрат і підвищенню безпеки.

Акумулювання відновлюваної енергії

Оскільки використання поновлюваних джерел енергії, таких як вітер і сонячна енергія, продовжує зростати, зростає і попит на рішення для зберігання енергії, щоб збалансувати попит і пропозицію. Акумулятори можуть накопичувати надлишкову енергію, вироблену в періоди високої відновлюваної генерації, наприклад, у сонячні або вітряні періоди, а потім подавати цю енергію в мережу в періоди високого попиту або коли поновлювана генерація низька, наприклад, уночі або в безвітряну погоду. Для цієї мети використовують мережеві системи накопичення енергії, починаючи від невеликих побутових систем і закінчуючи великими акумуляторними установками.

Аерокосмічна промисловість та оборона

В аерокосмічній промисловості акумулятори відіграють вирішальну роль у запуску авіаційних двигунів і живленні бортових електричних систем. Батареї також встановлюються на супутники і всюдиходи, і накопичують енергію, що виробляється сонячними панелями. Крім того, вони використовуються в оборонних цілях для живлення військової техніки і транспортних засобів. Через характер цих застосувань батареї мають бути надійними, безпечними і здатними працювати в екстремальних умовах.

Медичне обладнання

Батареї необхідні для роботи різних медичних пристроїв, включно з портативними пристроями, як-от слухові апарати та інсулінові помпи, а також більшим обладнанням, як-от дефібрилятори. Крім того, батареї використовуються в імплантованих пристроях, — кардіостимуляторах і нейростимуляторах, — які вимагають дуже високої надійності та довговічності. У цих випадках продуктивність батареї може безпосередньо впливати на здоров'я та безпеку пацієнтів.

Розвиток акумуляторних технологій

Твердотільні батареї

На відміну від рідких, або гелевих, електролітів, в акумуляторах такого типу використовується твердий електроліт, кераміка, скло або твердий полімер. Це дає низку переваг: вищу щільність енергії (що дає змогу збільшити запас ходу для електромобілів або збільшити термін служби електроніки), кращу безпеку (тверді електроліти, як правило, більш стабільні, тож ризик загоряння знижується).

Попри переваги, є й проблеми, що полягають у складності виробництва та забезпеченні тривалого терміну служби. Однак численні компанії та дослідницькі інститути працюють над подоланням цих перешкод і комерціалізацією твердотільних батарей.

Проточні батареї

Проточні батареї — рішення для великомасштабного і тривалого зберігання енергії. Вони зберігають хімічну енергію в зовнішніх резервуарах, перетворюючи її на електрику в електрохімічних елементах, які можна масштабувати незалежно один від одного. Проточні батареї зазвичай мають нижчу щільність енергії, ніж літій-іонні. Проте, їхній потенціал для тривалого терміну служби з мінімальною втратою потужності та їхня здатність розряджати потужність протягом тривалих періодів часу роблять їх привабливими для застосування в енергосистемах.

Альтернативи літій-іонним батареям

Хоча літій-іонні батареї домінують на ринку батарей, що перезаряджаються, вчені шукають їм заміну, щоб подолати їхні обмеження і задовольнити зростаючий попит на накопичувачі енергії. Альтернативними можна вважати натрій-іонні, магнієво-іонні, цинк-іонні та літій-сірчані батареї. Кожна альтернатива має переваги на кшталт низької вартості, поліпшеної безпеки або підвищеної щільності енергії, але поки що вийти на ринок жодна з них не може, тому що необхідні дослідження і розробки.

То що ж далі? Яким буде світ без батарейок?

Галузь акумуляторних технологій швидко розвивається через споживчий попит, екологічні вимоги та технологічні досягнення. Удосконалення, безумовно, необхідні для вирішення екологічних проблем, підвищення ефективності електронних пристроїв, зниження енерговитрат, безпеки, підвищення продуктивності та інтеграції з інтелектуальними мережами й пристроями IoT. Можна стверджувати, що акумуляторні пристрої мають ключове значення для глобального переходу до зеленої енергетики.

Важливо

Смартфони та авто стануть дешевшими: вчені знайшли заміну літієвим батареям (відео)