Вставьте батарейки в пульт дистанционного управления или фонарик. Экран загорается. Игрушка начинает двигаться. Это кажется магией. Но это не так. Это электрохимия.
Процесс кажется простым. Это замыкает цепь. Электроны текут. Но внутри корпуса разворачивается война между атомами. Анод и катод обмениваются электронами через электролит. Одна сторона их теряет. Другая — приобретает. Этот поток и есть электричество.
Реакция продолжается, пока химические вещества не израсходуются. Затем батарейка разряжается. Либо её можно зарядить, чтобы принудительно запустить реакцию в обратном направлении.
Так на самом деле работают основные типы батарей. И почему они важны для вашей повседневной жизни.
Основы цинк-углеродных и щелочных элементов
Большинство одноразовых батареек содержат цинк. Он очень дёшев. Он широко распространён.
В цинк-углеродной батарее анодом является металлический цинк. Катодом — диоксид марганца. Электролитом обычно служит хлорид аммония или хлорид цинка. Такие элементы можно найти в дешёвых батарейках форматов AA или D. Они подходят для устройств с низким энергопотреблением, таких как часы. В устройствах с высоким энергопотреблением они быстро выходят из строя.
Щелочная батарейка — это усовершенствованная версия. В ней используется тот же цинковый анод и катод из диоксида марганца. Однако электролитом служит гидроксид калия. Это щелочное вещество. Отсюда и происходит название.
Щелочные батарейки служат дольше. Они лучше выдерживают высокие токи. Именно поэтому они доминируют на рынке пультов дистанционного управления и игрушек. Здесь цинк используется в виде порошка. Это увеличивает площадь поверхности. Появляется больше места для реакции. Ещё больше мощности.
Литий-ионная батарея, помещающаяся в карман
Посмотрите на свой мобильный телефон. Он работает на технологии литий-ионных батарей.
Это перезаряжаемая химия. Это высокая производительность. Она питает ноутбуки, камеры и, да, электромобили.
Стандартная конфигурация использует катод из оксида лития-кобальта. Анод — углеродный. При зарядке и разрядке ионы лития перемещаются туда и обратно.
Почему это важно? Плотность энергии. Литий-ионные батареи легче и обеспечивают большую мощность. Именно поэтому телефон помещается в карман. Именно поэтому электромобиль Tesla может проехать 300 миль. Цена за это — стоимость и сложность. Литиевые батареи требуют системы управления для предотвращения перегрева.
Свинцово-кислотные аккумуляторы в багажнике
Откройте капот автомобиля. Перед вами окажется свинцово-кислотный аккумулятор.
Это старая технология. Тяжёлая. Грязная. Но она работает.
Электроды состоят из диоксида свинца и металлического свинца. Электролит — серная кислота. Когда вы запускаете двигатель, от этого аккумулятора течёт большой ток. Это не очень эффективно. Он не лёгкий. Однако он лучше любых других аналогов для холодных регионов и высоких пусковых токов.
Цена также очень низкая. И он поддаётся переработке. Именно поэтому почти все автомобили с бензиновыми двигателями всё ещё оснащаются ими.
Будущее: батареи на воздушном питании?
Учёные работают над безумными исследованиями. Литиевая батарея, которая забирает кислород из воздуха.
Да. Из атмосферы.
Электроды — литий и окружающий кислород. Результат? Значительное снижение веса.
Согласно предварительным моделям, плотность энергии в 5–10 раз выше, чем у современных литий-ионных батарей. Представьте телефон, который работает неделю. Или электромобиль, которому не нужно заряжаться во время поездки.
Есть препятствия. Стабильность. Контроль влажности. Потери эффективности. Технология ещё не готова. Но возможности огромны.
Если это сработает, всё изменится. Вес батареи будет снижен. Запас хода электромобилей быстро вырастет. Проблема хранения энергии в электросетях может быть решена.
Мы ещё не достигли этого. Химия — дело сложное. Кислород может реагировать непредсказуемым образом. Однако направление ясно.
Мы хотим больше энергии. Меньший вес. Дешевизну.
Батарея внутри устройства — это компромисс. Она балансирует стоимость, безопасность и ёмкость. Следующая будет лучше. По крайней мере, она будет легче.
До тех пор замыкайте эти цепи.
