Вставте батареї в пульт дистанційного керування або ліхтарик. Екран спалахує. Іграшка починає рухатися. Це здається магією. Але це негаразд. Це електрохімія.
Процес здається простим. Це замикає ланцюг. Електрони течуть. Але всередині корпусу розгортається війна між атомами. Анод та катод обмінюються електронами через електроліт. Одна сторона їх втрачає. Інша — набуває. Цей потік є електрика.
Реакція триває, поки хімічні речовини не витрачаються. Потім батарейка розряджається. Або її можна зарядити, щоб примусово запустити реакцію у напрямі.
Так, насправді працюють основні типи батарей. І чому вони важливі для вашого повсякденного життя?
Основи цинк-вуглецевих та лужних елементів
Більшість одноразових батарейок містять цинк. Він дуже дешевий. Він широко поширений.
У цинк-вуглецевій батареї анодом є металевий цинк. Катодом – діоксид марганцю. Електроліт зазвичай служить хлорид амонію або хлорид цинку. Такі елементи можна знайти в дешевих батарейках форматів AA або D. Вони підходять для пристроїв з низьким споживанням енергії, таких як годинник. У пристроях з високим енергоспоживанням вони швидко виходять із ладу.
Лужна батарея — це вдосконалена версія. У ній використовується той же цинковий анод та катод з діоксиду марганцю. Однак електроліт служить гідроксид калію. Це лужна речовина. Звідси і походить назва.
Лужні батареї служать довше. Вони краще витримують високі струми. Саме тому вони домінують на ринку пультів дистанційного керування та іграшок. Тут цинк використовують у вигляді порошку. Це збільшує площу поверхні. З’являється більше місця реакції. Ще більше потужності.
Літій-іонна батарея, що міститься в кишені
Подивіться свій мобільний телефон. Він працює на технології літій-іонних батарей.
Це хімія, що перезаряджається. Це найвища продуктивність. Вона живить ноутбуки, камери та, так, електромобілі.
Стандартна конфігурація використовує катод із оксиду літію-кобальту. Анод – вуглецевий. Під час заряджання та розряджання іони літію переміщуються туди і назад.
Чому це важливо? Щільність енергії. Літій-іонні батареї легші і забезпечують більшу потужність. Саме тому телефон поміщається до кишені. Саме тому електромобіль Tesla може проїхати 300 миль. Ціна за це – вартість та складність. Літієві батареї потребують системи керування для запобігання перегріву.
Свинцево-кислотні акумулятори в багажнику
Відкрийте капот автомобіля. Перед вами опиниться свинцево-кислотний акумулятор.
Це стара технологія. Важка. Брудна. Але вона працює.
Електроди складаються з діоксиду свинцю та металевого свинцю. Електроліт – сірчана кислота. Коли ви запускаєте двигун, від цього акумулятора протікає великий струм. Це не дуже ефективно. Він не легкий. Однак він кращий за будь-які інші аналоги для холодних регіонів і високих пускових струмів.
Ціна також дуже низька. І він піддається переробці. Саме тому майже всі автомобілі із бензиновими двигунами все ще оснащуються ними.
Майбутнє: батареї на повітряному живленні?
Вчені працюють над шаленими дослідженнями. Літієва батарея, яка забирає кисень із повітря.
Так. З атмосфери.
Електроди – літій та навколишній кисень. Результат? Значне зниження ваги.
Згідно з попередніми моделями, щільність енергії в 5-10 разів вища, ніж у сучасних літій-іонних батарей. Уявіть телефон, який працює тиждень. Або електромобіль, якому не потрібно заряджатися під час подорожі.
Є перешкоди. Стабільність. Контроль вологості. Втрати ефективності. Технологія ще готова. Але можливості величезні.
Якщо це спрацює, то все зміниться. Вага батареї буде знижена. Запас ходу електромобілів швидко зросте. Проблема зберігання енергії в електромережах може бути вирішена.
Ми ще цього не досягли. Хімія – справа складна. Кисень може реагувати непередбачуваним чином. Проте напрямок зрозумілий.
Ми хочемо більше енергії. Найменша вага. Дешевизну.
Батарея всередині пристрою – це компроміс. Вона балансує вартість, безпеку та ємність. Наступна буде кращою. Принаймні вона буде легша.
До того часу замикайте ці ланцюги.
