Когда я говорил, что Verbatim выпускает массу околокомпьютерных товаров, я не шутил, но и сам не подозревал, что к делу компания подходит так основательно. Удивительное открытие под номером три за последние два месяца — в продажу поступили щелочные батарейки Verbatim, которые, судя по всему, должны как-то потеснить имеющихся на этом рынке игроков: Duracell, Energizer, VARTA, Panasonic, GP и другие не столь знаменитые бренды.
Встает вопрос: как это можно осуществить? Ведь ни одна из перечисленных компаний не станет легко отказываться от многомиллиардных ежегодных прибылей. Ответ: мы пока не знаем, но будем с интересом наблюдать за судьбой этих элементов питания.
Однако речь в этом материале пойдет не о каком-то конкретном бренде, а об элементах питания в целом.
Новость о выходе Verbatim на новый для нее рынок натолкнула нас на мысль о том, что мы почему-то пока не рассказывали вам о батарейках подробно, а между тем тема-то весьма благодатная: эти небольшие штучки, возможно, и воспринимаются нами как нечто само собой разумеющееся, но не будь их, мир был бы совсем иным!
Официально считается, что первый прототип устройства, вырабатывающего электроэнергию за счет химической реакции, появился в 18 веке благодаря Алессандро Вольте. Более двухсот лет назад этот известный всем физик соединил две емкости, наполненные соляным раствором, парой металлических дуг так, что в одной чаше находилось два разных электрода — цинковый и медный, и получил первую в мире батарейку.
Другой подобный прибор, который дожил да наших дней и широко использовался почти в неизменном виде был изготовлен Гастоном Плантэ в 1859 году. Его батарея представляла собой емкость, заполненную раствором серной кислоты и помещенными в нее электродами из свинца. Для начала работы такой батареи ее нужно было для начала зарядить, но зато потом она эффективно отдавала накопленную энергию. Узнали свинцовый автомобильный аккумулятор?
Но прообразом всех современных бытовых батареек можно считать устройство, разработанное семью годами позже Жоржем ЛеКланше: цинковый стакан заполнялся электролитом, а в него вставлялся графитовый стержень. Только сегодня вместо жидкого электролита используется субстанция с более плотной консистенцией, похожая на желе.
Кроме того, есть еще также предположение, что возраст технологии, которая лежит в основе всех перечисленных устройств намного больше, чем принято считать. В июне 1936 года Вильгельм Кёниг — директор Национального музея Ирака — во время раскопок обнаружил месопотамский артефакт парфянского и сасанидского периодов. Эта «батарейка» представляла собой 13-сантиметровый сосуд, горлышко которого было залито битумом, а через него проведен железный прут со следами коррозии. Внутри сосуда находился железный стержень, окруженный медным цилиндром. Кёниг предположил, что эта "багдадская батарейка", заполненная кислотой или щёлочью, могла создать электрический ток напряжением в один вольт и использовалась для нанесения серебра на украшения электролитическим методом. Эту теорию подтвердил профессор Дж. Б.Перчински из университета Северной Каролины. Он создал точную копию найденного устройства и наполнил её пятипроцентным винным уксусом. Было зафиксировано напряжение в 0,5 вольта, поэтому неудивительно, что эти находки некоторые считают античными гальваническими элементами, созданными за 2000 лет до рождения Алессандро Вольта.
Типы современных батареек
Современные же типы батареек были разработаны уже в 20 веке и с тех пор ничего нового пока не появилось, а существующие технологии улучшаются постепенно. Тем не менее, несмотря на различия, все виды батарей можно поделить на два больших класса: одноразовые и перезаряжаемые. Первые отличаются от вторых тем, что процессы, запущенные в них однажды остановить нельзя, и с течением времени они, даже если их не использовать, начинают терять накопленную энергию, восполнить которую либо нет никакой возможности, либо во много раз дороже, чем произвести новый элемент питания.
А второй класс элементов — это аккумуляторы, которые накапливают энергию при подключении к источнику постоянного тока, а затем отдают ее. Высокая стоимость такого типа батарей нивелируется большим количеством возможных циклов «заряд — разряд».
Ежу же ясно, что использовать аккумуляторы выгоднее, чем обычные батарейки, почему же тогда они их еще не вытеснили? Дело тут в том, что несмотря на очевидные преимущества, аккумуляторные батареи имеют один существенный недостаток, который и не позволяет им вырваться вперед в современных условиях лихорадочной жизни, когда не знаешь, что, где и в какой момент может понадобиться. Имя этому недостатку уже оговоренная выше достаточно высокая цена: человек, которому впервые за несколько лет ненадолго понадобился фонарик вряд ли станет их покупать, а отдаст предпочтение дешевым традиционным батарейкам, которых ему как раз хватит. А вот для регулярно используемых гаджетов аккумуляторы — это и правда более выгодное решение, поэтому-то мы с вами ежедневно ставим мобильники «на зарядку», а не вставляем новые элементы питания.
Первыми батарейками массового производства стали элементы сухого типа, о которых я уже рассказывал выше — те самые, которые придумал ЛеКланше. На сегодняшний день, благодаря своей дешевизне, они являются самыми продаваемыми элементами питания, ежегодный сбыт которых исчисляется десятками миллиардов штук; выручку производителей нетрудно посчитать ;)
Батарейки сухого типа объединяют в себе еще три подтипа: хлорно-цинковые, марганцево-цинковые и щелочные (алкалиновые). Первые два отличаются друг от друга исключительно составом электролита: у хлорно-цинковых, он почти полностью состоит их хлорида цинка, а у марганцево-цинковых — из смеси воды, нашатыря и хлорида цинка. А вот щелочные от них отличаются еще и конструктивно: корпус щелочных батареек не является анодом, а выполняет лишь защитные функции. Зато внутри находится смесь водного раствора гидроксида калия (электролит) и цинкового порошка (анод), а катод, состоящий из угля и диоксида марганца окружает эту смесь и отделен от нее прочным материалом, например, полиэстером.
Никель-кадмиевые батареи имеют никелевый анод и кадмиевый катод. Их основные отличия от других типов элементов питания — это большое количество возможных циклов «заряд — разряд», средняя энергоемкость (приблизительно вдвое меньше, чем у щелочных), и эффект памяти, который появляется при неполной разрядке. Суть этого эффекта заключается в том, что если батарею такого типа разрядить не до конца, и начать заряжать снова, ее энергоемкость уменьшится ровно настолько, сколько энергии осталось нерастраченной, поскольку на аноде будут образовываться кристаллы кадмия. Избавиться от этого эффекта можно, только произведя глубокую разрядку с помощью специального устройства, растворив таким образом накопленные кристаллы.
Никель-металгидридные аккумуляторы (никелевый анод и гидридный катод) по своим свойствам мало чем отличаются от никель-кадмиевых: напряжение порядка 1.2 В, приблизительно то же количество циклов зарядки-разрядки, однако за счет использования гидридного катода разработчикам удалось увеличить емкость таких батарей приблизительно вдвое относительно никель-кадмиевых. Но при этом нельзя не заметить, что из-за использования в катоде связанного водорода такой тип батареек может терять за день до 1/20 своего заряда.
Батареи с самой высокой емкостью и самым высоким напряжением — литий-ионные. Напряжение таких аккумуляторов может варьироваться от 1.5 до 3.6 В в зависимости от того, какой используется анод. Поначалу в 70-80-х годах прошлого века в литиевых батареях использовался непосредственно металлический литий, однако из-за его высокой активности такие элементы сильно нагревались и даже взрывались, поэтому было решено перейти на использование ионов лития, сохранив тем самым все необходимые полезные свойства, но избавившись от нестабильности. Сейчас типовая литий-ионная батарея состоит из угольного анода, катода из литийкобальтдиоксида и электролита на основе солей лития. Эти батареи имеют еще большую емкость, чем никель-металл гидридные, однако срок их эксплуатации заметно ниже.
А продолжением литий-ионной технологии являются литий-полимерные батареи, которые в отличие от своих прототипов могут принимать практически любую необходимую форму, а не только цилиндра. Это стало возможным за счет отсутствия жидкого электролита. С точки зрения конструкции же эти аккумуляторы отличаются от простых литий-ионных тем, что анод в них отделен от катода полимерной перегородкой. Немаловажным в наше непростое время является еще и то, что такие батареи не наносят сильного вреда окружающей среде при утилизации.
Как видите, некоторым из описанных технологий уже несколько сотен лет, а каким-то пока меньше десятка — прогресс не стоит на месте, имеющиеся типы батарей постепенно наращивают емкость, становятся безопаснее и экологичнее. А впереди маячат пока кажущиеся довольно странными топливные элементы, в которые нужно будет извне добавлять вещества для электрохимической реакции. Так что недалек тот день, когда мы, возможно, станем заправлять мобильные телефоны и ноутбуки.
Да и о нанотехнологиях не стоит забывать! В прошлом году, например, специалисты из политехнического института Ренселлера (Rensselaer Polytechnic Institute — RPI) умудрились сотворить батарейку из бумаги, в которую встроены углеродные нанотрубки. Необходимо просто покрыть такой лист слоем лития, и получится гнущийся элемент питания. Пока, естественно, КПД таких батарей оставляет желать лучшего, но разработчики не унывают и уже через пару лет надеются запустить их коммерческое производство.
