«Кормушки» для гаджетов

Привычные и альтернативные элементы питания

15.02.2010
10:15
Юрий Попов

 

Если бы революцию из прошлого века перенести в век нынешний, ее лозунги наверняка бы изменились. К традиционным «Землю – крестьянам, фабрики – рабочим!» обязательно добавился бы новый: «Ноутбукам – «долгоиграющие» батарейки!»

 

Нет, ну правда: кому нужен супермегадизайнерский ноутбук с превосходной матрицей дисплея или наиумнейший смартфон с зашкаливающей частотой процессора и полным пакетом современных приложений, если эта чудо-техника через два-три часа напряженной работы превращается в груду бесполезного железа? Красивого железа, несомненно. Но ведь бесполезного же.

 

С телефонами ситуация обстоит еще более-менее прилично, но вот с ноутбуками – полная беда. Вместо наслаждения пресловутой мобильностью мы в сухом остатке имеем новую головную боль: где найти розетку? А фотоаппараты? Вы попробуйте устроить фотосессию зимой в пятнадцатиградусный мороз: двадцать, тридцать, ну пусть даже пятьдесят кадров – и все, зеркалка «протягивает ноги».

 

Ситуация плачевная, что и говорить. Правда, работы по созданию новых источников питания идут полным ходом – производители техники тратят многие миллионы долларов, чтобы только первыми создать батарейку, которая никогда не умрет. А пока суд да дело, стоит вспомнить историю батарейки, или, уважительно говоря, аккумулятора – может, там и прячется секрет «вечной жизни»?

 

Багдадская батарейка

 

Археология по праву считается одной из самых скучных наук: раскопки, датировка, кропотливое и монотонное изучение находок, занесение их в каталоги… Никакого экшена в духе Индианы Джонса или Лары Крофт. Но иногда ученые сталкиваются с удивительными загадками.

 

В 1936 году при строительстве железной дороги к юго-востоку от Багдада был обнаружен странный объект – небольшой глиняный кувшин, в горлышке которого был закреплен цилиндр, сделанный из медного листа. Верхний край цилиндра, выступающий из тела кувшина, был запечатан битумной пломбой, в которую был воткнут металлический стержень со следами интенсивной коррозии.

 

При изучении находки, датируемой первым веком до нашей эры, была выдвинута гипотеза о том, что данный артефакт является древним химическим источником тока. Теорию подтвердили и на практике. Точная копия «багдадской батарейки», заполненная виноградным уксусом или вином, действительно выдавала напряжение от 0,5 до 2 вольт в зависимости от используемого электролита и условий эксперимента.

Ученые предположили, что несколько таких последовательно соединенных батареек могли использоваться для гальванизации – покрытия поверхности одного металла тонким, не толще микрона, слоем другого металла при помощи электролиза. В пользу этой теории говорят некоторые древние находки – например, шумерская медная ваза 2500 года до н.э.

 

В 1978 году немецкий египтолог Арне Эггебрехт на практике подтвердил возможность такого использования «багдадской батарейки». В коллекции ученого была небольшая медная статуэтка египетского бога Осириса возрастом около 2400 лет, покрытая тончайшим слоем золота. Египтолог изготовил копию фигурки и поместил ее в ванну с солевым раствором золота. Затем соединил десять «багдадских батареек» и подключил электроды к ванне и самой статуэтке. Через несколько часов на фигурке осел ровный слой гальванического золота.

 

При всей видимой стройности теории остается масса вопросов. Каким образом древние «дошли до жизни такой»? Ведь ток в 0,5-2 вольта, выдаваемый одной «багдадской батарейкой», без приборов обнаружить очень сложно. Каким образом они придумали последовательно соединять источники тока для увеличения мощности? Наконец, как они додумались до электролиза, так сказать, официально открытого в начале XIX века? Непонятно.

 

Лабораторные опыты

 

«Батарейка» - это уже устоявшееся обиходное название источника электричества. Большинство таких устройств действуют по принципу достаточно банальной окислительно-восстановительной реакции.

 

Вкратце суть явления такова: есть два электрода – катод, содержащий окислитель, и анод, содержащий восстановитель. Все это добро погружают в электролит, обычно являющийся кислотой. Попав во враждебную среду, катод начинает окисляться. При этом образуются свободные электроны, которые по замкнутой внешней цепи передаются к аноду. Возникает вожделенный электрический ток.

 

Первый «официальный» химический источник тока был изобретен чуть более двухсот лет назад итальянским ученым Алессандро Вольта. Это был сосуд с соленой водой, в которую опускались цинковая и медная пластинки, соединенные между собой проволокой. В результате цинковая пластина (катод) начинала растворяться, а на медной стали (аноде) появлялись пузырьки газа. Вольта предположил и доказал, что по проволоке протекает электрический ток. Несколько позже ученый собрал целую батарею из последовательно соединенных элементов, благодаря чему удалось существенно увеличить выходное напряжение.

 

Всего через год после этого, в 1803 году, русский физик Василий Петров для демонстрации электрической дуги собрал самую мощную химическую батарею, состоящую из 4200 медных и цинковых электродов. Выходное напряжение этого монстра достигало 2500 вольт. Впрочем, ничего принципиально нового в этом «вольтовом столбе» не было.

 

Только через 30 лет английский химик Джон Даниель усовершенствовал химический элемент Алессандро Вольта, применив в качестве электролита не соленую воду, а раствор серной кислоты, в который погружались все те же цинковый и медный электроды. При этом окислительно-восстановительная реакция протекала интенсивней, благодаря чему увеличилось выходное напряжение. Впрочем, в этом преимуществе скрывался, как обычно, и основной недостаток: окислительно-восстановительная реакция необратима, поэтому после окисления цинкового электрода элемент приходил в негодность.

 

В 1859 году французский физик Гастон Плантэ решил эту проблему, создав свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента, кстати, используется – с некоторыми изменениями – и по сей день. Принцип работы основан на реакциях свинца и диоксида свинца в серной кислоте. Во время разряда происходит окисление свинца на аноде и восстановление диоксида свинца на катоде. При зарядке, соответственно, наблюдается обратная реакция.

 

Таким образом, человечество получило в свое распоряжение первый «многоразовый» химический источник тока – аккумулятор.

 

Разовый вариант

 

Химические источники тока принято разделять по типу протекающей в них реакции на два больших класса: первичные и вторичные.

 

Первичные – это хорошо нам известные батарейки. Из-за необратимости протекающей химической реакции их нельзя перезаряжать, более того, в ряде случаев это довольно опасная затея.

 

Наиболее распространенными сегодня являются угольно-цинковые батарейки. Это самый дешевый и массовый элемент питания. Одна только компания Energizer продает за год около шести миллиардов (!) таких элементов.

 

В угольно-цинковой батарейке роль катода играет стержень, состоящий из смеси диоксида марганца, угля и электролита. Анод полностью цинковый и представляет собой сам корпус батарейки. Электролит, заполняющий пространство между анодом-корпусом и катодом-стержнем представляет собой адскую смесь из нашатыря, диоксида марганца и хлорида цинка. В сущности, ничего особо опасного, но, тем не менее, вскрывать батарейку не следует.

 

Из достоинств угольно-цинковых элементов можно отметить разве что их низкую стоимость. Все остальное – сплошные недостатки. Во-первых, малый срок хранения элемента, составляющий, в зависимости от условий, от полугода до двух лет. Во-вторых, в процессе разрядки угольно-цинкового элемента наблюдается неприятный эффект постепенного уменьшения выходного напряжения (так называемая «спадающая кривая разряда»). А это значит, что, например, в настенных часах теряющая напряжение угольно-цинковая батарейка начнет пропускать такты или медленней их отсчитывать, в результате чего часы будут безбожно отставать.

 

Более совершенные щелочные (или алкалиновые) элементы являются, в сущности, небольшой модернизацией угольно-цинковой технологии. Основное отличие заключается в химическом составе электролита, представляющего собой смесь гидроксида калия (собственно щелочь) и воды. Такое, казалось бы, нехитрое изменение позволяет существенно увеличивать срок годности элементов питания и плотность энергии.

 

По конструкции щелочные элементы существенно отличаются от угольно-цинковых. Во-первых, корпус батарейки является именно корпусом и не играет никакой роли в химических реакциях. Анод щелочного элемента представляет собой желеобразную смесь активного цинка и электролита. Катод – вновь смесь угля и диоксида марганца. Сама батарейка полностью герметична, так как во время ее работы (то есть протекания химических реакций) практически отсутствует газообразование, в отличие от угольно-цинковых элементов, которые при работе выделяют небольшое количество водорода.

 

Щелочные элементы обладают более высоким сроком хранения – пять и более лет, они работают в более широком диапазоне температур – от –30 до +55 градусов по Цельсию. Однако и здесь кривая разряда спадающая, как и в угольно-цинковых батарейках.

 

В литиевых элементах анод обязательно изготовлен из лития, а вот для катода и электролита предусмотрены вариации, впрочем, не оказывающие существенного влияния на основные параметры батарейки. Такие элементы питания отличаются весьма солидным сроком хранения (до 10 лет) и большим диапазоном рабочих температур – от –30 до +65 градусов по Цельсию. Главным преимуществом батареек является пологая кривая разряда, обеспечивающая надежную работу питаемого устройства вплоть до полного истощения элемента. Кроме того, литиевые батарейки обладают на сегодняшний день наибольшей плотностью энергии.

 

Но за все нужно платить. Литиевые элементы довольно дороги из-за высокой стоимости самого лития и сложности производственного процесса.

 

Доморощенным химикам на заметку: литиевые элементы питания категорически нельзя заряжать. Порой владельца батарейки вводит в заблуждение ее цена, и он, полагая, что имеет дело с аккумулятором, пытается зарядить элемент. Между тем металлический литий является химически активным веществом и может доставить немало неприятностей даже при попытке просто вскрыть батарейку. Если же попытаться ее зарядить, она просто взорвется.

 

Продлевать будете?

 

Вторичные элементы питания (или аккумуляторы) способны преобразовывать электрическую энергию в химическую, а потом выполнять обратное преобразование, отдавая накопленный заряд.

 

На сегодняшний день существует три наиболее распространенных типа аккумуляторов, которые используются в бытовой технике и электронике.

 

Пальму первенства удерживают никель-кадмиевые элементы. Эти аккумуляторы производятся уже более сорока лет, технология их производства и эксплуатации отработана до мелочей. Элементы этого типа выдерживают до 1000 циклов перезарядки и способны эффективно работать в диапазоне температур от –20 до +45 градусов по Цельсию, а при зарядке – от 0 до +45. Кроме того, это единственный тип аккумуляторов, которые можно хранить полностью разряженными.

 

В принципе, все очень неплохо, если бы не одно «но»: никель-кадмиевые элементы имеют очень неприятный «эффект памяти». Суть явления заключается в том, что при заряде не до конца разряженного аккумулятора его емкость уменьшается на величину недоразряда. Таким образом, чтобы никель-кадмиевый элемент дольше служил, нужно перед зарядкой полностью его разрядить. «Эффект памяти» вызван тем, что в момент зарядки в сепараторе аккумулятора возникает химическое соединение, препятствующее дальнейшей глубокой разрядке, в результате чего часть «полезного объема» элемента теряется навсегда.

 

Более совершенные никель-металлгидридные аккумуляторы изначально были призваны победить пресловутый «эффект памяти». Первое время даже считалось, что элементы этого типа вообще не подвержены этой напасти. Однако впоследствии выяснилось, что никель-металлгидридные аккумуляторы тоже страдают этим изъяном, хоть и в гораздо меньшей степени. Другое, но уже бесспорное преимущество никель-металлгидридных элементов – их экологическая безопасность. Аккумуляторы данного типа не содержат кадмия, соли которого очень ядовиты. А вот диапазон рабочих температур у никель-металлгидридных элементов не такой большой, от –10 до +40 градусов по Цельсию (при зарядке от 0 до +45), да и циклов перезарядки они переживают меньше, всего около 500.

 

Наиболее перспективными считаются литий-ионные аккумуляторы. Во-первых, у них абсолютно отсутствует «эффект памяти». Во-вторых, литий-ионные элементы обладают наибольшим количеством циклов перезарядки. В-третьих, они экологически безопасны. Наконец, в-четвертых, литий-ионные аккумуляторы отличаются наиболее широким диапазоном рабочих температур – от –30 до +70 градусов по Цельсию. Кроме того, эти аккумуляторы обладают большей по сравнению с другими элементами емкостью.

 

В настоящее время литиевая технология активно развивается. В частности, появились так называемые литий-полимерные аккумуляторы. Особенностью нового элемента является уникальное внутреннее строение, благодаря которому становится возможным выпуск аккумуляторов практически любых форм и размеров, причем каждый кубический миллиметр объема будет использоваться.

 

На очереди – выпуск сверхъемких плоских аккумуляторов большой площади, которые будут использоваться, например, в ноутбуках или сотовых телефонах. Благодаря такому нововведению планируется существенно снизить их массогабаритные характеристики и, напротив, увеличить продолжительность работы без подзарядки. По мнению специалистов, литий-полимерные аккумуляторы ждет большое будущее в различных мобильных устройствах.

 

Ноутбук на жидком топливе

 

Помимо первичных и вторичных элементов питания существует еще один тип химических источников тока. Это так называемые топливные элементы.

 

Устроены они следующим образом: есть анод, на который поступает специальное топливо, и катод, на который подается окислитель (обычно его роль выполняет кислород, содержащийся в атмосферном воздухе). Как и в случае с обычной батарейкой, электричество вырабатывается благодаря простой окислительно-восстановительной реакции. Разница состоит в том, что реакция происходит в самом топливе, а не на электродах. Таким образом, сам по себе топливный элемент никогда не изнашивается и вырабатывает энергию до тех пор, пока есть топливо и окислитель для химических преобразований.

 

Главное преимущество топливного элемента, которое будоражит умы ученых и энергетиков – это его почти фантастическая эффективность. Нормальный коэффициент полезного действия (КПД) топливных элементов составляет около 50%. Если учесть еще и возможность практического использования выделяющегося при реакции тепла, то эффективность достигает рекордных 85-90%! Для сравнения, КПД тепловой электростанции составляет всего 20-25%.

 

Топливные элементы в настоящее время всерьез рассматриваются как источник электроэнергии будущего. Помимо высокой эффективности, они слабо ограничены по размерам, благодаря чему диапазон их применения огромен – от миниатюрных элементов питания до мощных электростанций.

 

Для различных портативных устройств наиболее перспективной считается технология топливных батарей на метаноле, или Direct Methanol Fuel Cell. Уже сейчас выпускаются экспериментальные батареи для ноутбуков, мобильных телефонов и портативных медиаплееров, работающие на метаноле.

 

Для конечного потребителя все довольно просто. Метанол расфасовывается в специальные бутылочки, оснащенные клапанным дозатором. Для заправки нужно всего лишь вставить его в специальное отверстие на корпусе батареи и повернуть. Очень просто, а главное – безопасно. Есть также весьма интересные разработки топливных аккумуляторов, которые вообще не нужно специально дозаправлять. Такой аккумулятор заряжается так же, как и обычный аккумулятор, при этом происходит обратная химическая реакция, возвращающая содержащееся в элементе топливо в первоначальное состояние.

 

В целом топливные элементы являются более эффективными и экономичными по сравнению с обычными аккумуляторами. Сотовый телефон, например, может работать на одной заправке около недели.

 

Но в бочке меда традиционно скрывается некоторое количество дегтя. Топливные элементы – это довольно дорогое удовольствие. В настоящее время они стоят примерно в два-пять раз дороже стандартных аккумуляторов. Впрочем, эта проблема со временем отпадет сама собой – если начнется серийный выпуск топливных элементов, это неизбежно приведет к существенному снижению их цены. В настоящее же время топливные элементы для мобильных устройств существуют только в виде пробных экспериментальных моделей.

 

Альтернативные решения

 

Поистине, мозг ученого для обычного землянина – что иная галактика: вроде бы ты понимаешь, что он есть, но как там все работает, представить невозможно.

 

Вот, например, группа исследователей из Массачусетского технологического института под руководством профессора Анджелы Белчер научилась выращивать (!) биологическую перезаряжаемую батарею (!!) из безвредного для человека вируса M13 (!!!). Созданная ими «вирусная батарейка» представляет собой тонкую прозрачную пленку, состоящую из безвредного для человека вируса. В процессе преобразования вируса в окись кобальта вырабатывается энергия, которая и питает мобильное устройство.

 

А товарищ Зонг Лин Ванг из Технологического института Джорджии, что в США, придумал микроскопический наногенератор, который вырабатывает электроэнергию из окружающей среды благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Используя пьезоэлектрический эффект, наногенератор преобразует механические вибрации и ультразвуковые волны в электричество. Почти так же – с поправкой на XXI век – работает обычная пьезоэлектрическая зажигалка. Мощность, надо заметить, неплохая – от одного до четырех ватт с кубического сантиметра.

 

Компания DuPont пошла по другому пути – стали из кукурузы вырабатывать биобутанол – один из видов сырья для топливных элементов.

 

И компания Intel не отстает – на форуме разработчиков IDF (Intel Developer Forum) в Сан-Франциско она представила устройство беспроводной передачи электричества с КПД 75%. Правда, пока расстояние, на которое можно передать пучок электроэнергии, невелико – не более одного метра. По словам Джастина Раттнера, главы отдела технологических разработок Intel, в скором времени «для того, чтобы зарядить мобильный телефон, его достаточно будет разместить на специальной встроенной в стол пластине».

 

Когда будет счастье?

 

Первые модели устройств, использующих топливные элементы на основе метанола, начали появляться еще несколько лет назад. В 2006 году на прошедшей в Ганновере выставке CEBIT малоизвестная тайваньская компания Antig представила ноутбук с такой «батарейкой», способной работать до девяти часов без подзарядки.

 

В том же году на выставке Consumer Electronics Show в американском Лас-Вегасе компания Panasonic презентовала ноутбук с метаноловой топливной батареей. По заявкам инженеров, этот чудо-агрегат при наличии полного бака топлива (чуть менее 200 граммов) мог бесперебойно трудиться почти целые сутки без малого – 20 часов. Там же израильская компания Medis Technologies представила блоки питания, предназначенные для зарядки мобильных электронных устройств. Достаточно подключить одноразовую топливную ячейку специальным кабелем к смартфону – и дополнительных 20 часов разговора у вас в кармане. IPod на таком аккумуляторе вообще 80 часов пел бы, не умолкая.

 

А пару месяцев спустя в Сан-Франциско на форуме разработчиков Intel компания UltraCell вынесла на суд общественности свою разработку – систему на базе метаноловых топливных элементов UltraCell XX25. Этот топливный картридж обеспечивал бесперебойную работу ноутбука аж в течение двух-трех дней!

 

В октябре 2008 года компания ZPower представила серебряно-цинковые батареи, которые работают на 40% дольше обычных литиево-ионных.

 

Но… Уже даже начался 2010 год, а воз и ныне там. В магазинах бытовой электроники по-прежнему продаются стандартные ноутбуки с привычными литиево-ионными аккумуляторами, и ни о каких долгоиграющих топливных элементах в свободной продаже говорить не приходится.

 

Причин такой задержки много. Тут вам и исторически сложившаяся медлительность рынка, который неохотно переходит с привычных технологий. И опасность метанола – основы для топливных элементов. Этот простейший одноатомный спирт взрывоопасен, а употребление его внутрь может стать причиной сильнейшего отравления, слепоты или даже привести к летальному исходу.

 

А пока производители и разработчики «раскачиваются», рекомендуем вам бережно относиться к ресурсу аккумуляторов мобильных устройств – глядишь, лишние 15-20 минут работы выгадаете, да и «зеленые» одобрят. И не забывайте следить за альтернативными разработками: кто знает, может, через год-другой можно будет принимать сотню-другую ватт прямо по воздуху…