Из чего состоит батарейка? Кто придумал Батарейка - Когда Изобрели.

Наверное все из нас пользуются батарейками. Они незаменимы и сфера их применения обширна – от простого будильника или фонаря, до магнитофона. Вряд ли кому-то приходило в голову узнать о том, как появилась эта незаменимая помощница. Именно истории её происхождения и будет посвящена эта статья.
В конце XVII века неожиданно был изобретен первый источник тока. Сделал это итальянский учёный Л. Гальвани. Изначально цель опыта заключалась в том, чтобы узнать о реакции животных на местные раздражители. Но когда к мышечной массе лапки лягушки были присоединены две полоски разных металлов, ученый обнаружил протекание тока между ними. Процесс этот Гальвани объяснил неверно, но это послужило основой для дальнейших исследований еще одного итальянца А. Вольта. Он дал чёткое определение изобретению. Толчком появления тока является реактив химического происхождения, с участием двух металлов. Нехитрое изобретение Вольта из цинка и меди, погружённое в раствор соли – это доказало. Данная конструкция и стала прообразом современной батарейки.

В 1859 г. французский ученый Гастон Плантэ провел исследование, где использовались свинцовые пластины в качестве электродов, а разбавленная серная кислота являлась электролитом. После подключения элемента к источнику питания, происходила зарядка батареи. После этого прибор начинал сам вырабатывать электричество, выдавая при этом всю энергию затраченную на зарядку. При этом проделывать это можно было много раз. Вот так и появился первый свинцовый аккумулятор, который еще долгое время будет применяться в автомобилях.

Усовершенствованный источник питания вовсе не похож на изобретение Вольта, но принцип работы остался тот же. В состав батарейки входит катод с анодом и электролит, который расположен между ними. Выработка электричества происходит в ходе окислительно-восстановительной реакции, которая идёт между электролитами. Выход тока и остальных свойств находится в зависимом состоянии от выбираемых материалов взамен анода и катода, электролита, и от самой конструкции. Элементы питания делятся на первичные и вторичные группы. Для первичных процессов характерны необратимые химические действия, а для вторичных присущи обратимые свойства. Несложно догадаться, что к вторичным процессам относится всем известный аккумулятор, который можно подзарядить и заново использовать. К первичным процессам относится батарейка. После того, как она сядет, её можно будет только выбросить.

Химический источник питания, который в 1866 г. изобрёл француз Жорж Лекланше стал прообразом современных «сухих батареек». За альтернативу электродов были взяты марганец и цинк. Электролитом послужил соляной раствор.

Максимальная удельная ёмкость служит главным свойством в создании батареи. Физические параметры и ёмкость определяются, идущими внутри, химическими реакциями. В основе истории батарейки лежит поиск нанотехнологии для улучшения её функций и удобного использования, а также поиск разработки малых размеров.

В настоящий момент есть производство любых составляющих батарейки, вплоть до тех, которые использовались повсеместно в XIX веке.

Типы и виды батарей.

• Сухие батарейки. Состав электролита – хлорид цинка, нашатырь и диоксид марганца. Вместо катода служит уголь электролита и диоксид марганца. Цинк применяют вместо анода.
• Никель-кадмиевые батареи. В состав их входит никелевый анод и кадмиевый катод. Такие аккумуляторы популярны во всём мире. Они выдерживают от пятисот до тысячи зарядок.
• Свинцовые батареи. Большая часть аккумуляторов, которые сделаны из свинца. Широко используются в автомобильной промышленности.
• Литий-ионные батареи. Литий является быстродействующим химическим металлом. Его используют в мобильной технике. Выходное напряжение составляет от полутора вольт почти до трёх с половиной (без одной десятой).
• Литий полимерные зарядные устройства. Подобные элементы используются в компьютерах. Они способны хранить на 22% больше заряда, чем предыдущий вариант.
• Литий-железодисульфидные батареи. Выходное напряжение в два раза меньше 3 вольт. Минусом является то, что их нельзя перезарядить.

Сегодня представить свою жизнь без электрических устройств очень сложно. Причем, речь идет даже не о крупной бытовой технике, а о малогабаритных приборах, делающих быт значительно комфортнее. Настенные часы, дистанционные пульты, фонарики и многие другие мелкие устройства, к которым мы так привыкли, работают от портативного элемента питания. Чтобы обеспечить их стабильную работу, необходимо просто купить аккумуляторные батарейки . А ведь этот источник питания появился не так и давно!

История создания батарейки

Первый шаг на пути появления батарейки был сделан ученым из Италии Луиджи Гальвани, который исследовал реакции живых организмов на различные воздействия. Суть сделанного им открытия заключалась в том, что через лягушачью лапку проходит ток, когда к ней присоединены две полоски из разных видов металла. Объяснить увиденное ученый так и не смог, зато результаты его работы очень пригодились другому исследователю – Алессандро Вольту.

Этот итальянец смог разгадать суть процесса и понял, что появлению тока способствует химическая реакция, возникающая между различными металлами в определенной среде. Разместив цинковую и медную пластину в соляном растворе, он создал первую в мире батарею первичных элементов, которую после доработки назвал «Вольтов столб». Это было в 1800 году.

Первый аккумулятор появился значительно позже – в 1859 году, когда француз Гастон Плантэ повторил эксперимент своего коллеги, используя слабый раствор серной кислоты и две пластины из свинца. Особенность этого элемента питания заключалась в том, что оно требовало подзарядки от источника постоянного тока, а затем само отдавало полученный заряд на создание электроэнергии.

Другие важные даты в истории развития батареек

1865 год – французский ученый Ж. Л. Лекланше разработал марганцово-цинковый элемент с соляным раствором.

1880 год – Ф. Лаланд усовершенствовал изобретение своего соотечественника, используя загущенный электролит.

40-е года XX века – были разработаны серебряно-цинковые элементы.

50-е года XX века – появились марганцово-цинковый элемент со щелочным раствором, также ртутно-цинковые элементы.

60-е года XX века – началось производство воздушно-цинковых батареек.

70-е года XX века – впервые были использованы литиевые источники тока.

У вас никогда не было желания что-нибудь раскурочить? Нет, ни в коем разе из хулиганских побуждений, а исключительно с целью узнать «что там внутри»? Было? Вот и у меня сегодня возникло такое же желание. И я, конечно же, постараюсь использовать его во благо, подготовив статью об устройстве батарейки. Итак, как сказал бы степенный лектор своей аудитории, тема нашего занятия сегодня — Первичные химические источники тока. Но мы с вами не на лекции, поэтому официальный тон соблюдать не будем, и наряду с таким названием будем использовать и обыденный термин — батарейка.

Казалось бы, в наш современный высокотехнологичный век такой устаревший атрибут как батарейка должен был бы давно сойти со сцены. Ведь изобретена батарейка была не вчера, а, ни много ни мало, более двух веков назад. Тем не менее, изобретение итальянского ученого Алессандро Вольта не только не забыто, но и активно используется благодаря бурному развитию мобильных устройств, которым требуется наличие автономного источника питания. Итак, попытаемся немного разобраться в этих элементах питания, а заодно и препарируем парочку.

Начнем с конструкции. Следует заметить что, несмотря на длительную историю и постоянное совершенствование, принципиальных изменений в устройстве батареи не произошло. Алессандро Вольта в 1800 году представил первый источник постоянного тока – несколько пар кружочков, изготовленных из двух различных металлов, и проложенных между собой кусочками ткани, смоченными в солевом растворе-электролите. Это изобретение получило название «Вольтов столб», а в честь изобретателя назвали единицу электрического напряжения — Вольт. Такая конструкция батареи – два электрода, помещенные в среду электролита, сохранилась и по сей день. Тем не менее, многообразие вариантов используемых электродов, электролитов и конструкций дает нам существующее ныне разнообразие батарей.

Среди всего многообразия элементов питания наиболее популярными являются солевые (самые дешевые и массовые элементы) и щелочные (алкалиновые) источники питания. Остальные же источники питания распространены гораздо меньше ввиду высокой стоимости, специфике сфер использования, либо токсичности.

Независимо от видов батареек и используемых материалов процессы, происходящие внутри элемента питания, схожи. Это процессы образования электрической энергии в ходе химической реакции. В состав первичного источника тока, как и много лет назад, входит как минимум три компонента: анод, катод и электролит. Анод (как правило, цинк) служит источником электронов. Образовавшиеся в процессе окислительной реакции электроны движутся по проводнику в сторону катода. На своем пути они выполняют некоторую работу, например, зажигают лампочку или вращают электродвигатель. На катоде электроны участвуют в обратной восстановительной реакции. Электролит является средой для переноса потоков иона, образующихся в процессе химической реакции. Круг замыкается. Все реакции, происходящие в гальваническом элементе (в отличие от вторичных источников тока – аккумуляторов) необратимые. По этой причине батарейки нельзя заряжать. В процессе этих реакций из входящих в состав батареек компонентов образовываются новые вещества, электроды постепенно разрушаются. При этом говорят, что батарейка садится.

Подтвердить или опровергнуть все вышесказанное можно с помощью нашего любимого метода – экспериментального. Поэтому вступительную, так сказать, теоретическую, часть статьи считаю оконченной и предлагаю перейти к практике, а именно, разобрать промышленный гальванический элемент и посмотреть, что же там внутри.

Для этих целей из небольшой дрели и режущего ролика от плиткореза я соорудил подобие дремеля. Но в данной ситуации можно было бы вполне воспользоваться и простым напильником.

Сделаем разрез по периметру батарейки в районе отрицательного полюса (прямо хирургом себя чувствую 🙂) Р-р-а-з! и первые компоненты батарейки перед нами — это отрицательный электрод, он же источник электронов.

Распилим батарею с другой стороны, и нам предстанет материал положительного электрода. Это диоксид марганца. Он «принимает» электроны.

Между электродами проложена вставка, пропитанная щелочью — электролитом.

Как мы определили что там все-таки щелочь? У меня в старых запасах оказалась универсальная индикаторная бумага. При прикосновении к этой вставке бумага окрасилась в синий цвет.

На фото не очень хорошо видно, поэтому воспользуюсь и фенолфталеиновым индикатором — в щелочной среде он окрашивается в интенсивный малиновый цвет.

Вот, собственно, и все с этой батарейкой. Как видим, все компоненты (анод, катод, электролит) на самом деле присутствуют в этом гальваническом элементе. Чтобы исключить тот факт, что нам случайно попалась батарейка, четко попадающая под «классическую схему, вскроем еще одну, побольше 🙂

Заглянем ей под крышечку…

Все то же самое: анод, катод, электролит.

Только в данном случае в качестве анода выступает целиком цинковый корпус батарейки.

Интересно, в разобранном состоянии батарейка будет работать? Конечно! Ведь мы сохранили все необходимые компоненты для функционирования гальванического элемента!

И даже в таком состоянии она работает!!!

Еще было бы интересно посмотреть, как работает батарейка «Крона». Ведь в отличие от большинства гальванических элементов «пальчикового» форм-фактора эта батарейка выдает аж 9 вольт. Наверняка она имеет другое устройство! Заглянем ей под оболочку…

На первый взгляд действительно все по-другому!

Но нет! Оказывается, эта батарейка просто состоит из шести небольших полуторавольтовых гальванических элементов знакомой нам конструкции.

Ну и наконец самый маленький участник нашего эксперимента. Встречайте — батарейка типа «таблетка»! Посмотрим на ее конструкцию.

Но и здесь то же самое: два электрода и электролит.

Все, батареек в доме больше не осталось, экспериментировать больше не над чем. 🙂

Итак, какие же выводы можно сделать из всего нашего теоретико-практического баловства?

Ну, во-первых, мы выяснили, что батарейка была изобретена довольно давно, когда не было крупных научных центров, нанотехнологий и прочих достижений современной науки и техники.

Во-вторых, мы определили, что гальванический элемент обязательно состоит из трех компонентов — анода, катода и электролита.

И в-третьих, наш эксперимент показал, что батарейка — довольно неприхотливое устройство. Для ее функционирования не требуется специфических материалов или создания особых условиях.

Все это позволяет что? Правильно — ! Но это уже совсем другая статья.

Следите за обновлениями блога Своя лаборатория в сетях

Батарейка состоит из положительного и отрицательного полюсов по краям, катода и анода.

Также в батарейке есть анодный проводник.

Вот известная марка батареек Duracell в разрезе для наглядности. На схеме четко видно размещение всех составляющих:

Батарейки бывают разных типов и разных составово. Например, литиевые, солевые, щелочные. Разберем каждый тип:

• Литиевые . Имеют большой срок хранения, большую плотность емкости, а так же могут работать в большом диапазоне температур. В состав входит: литиевый катод, органический электролит и анод из различных материалов. Все это способствует большому номиналу напряжения.
• Солевые . Содержат в себе пассивный уголь и двуокись марганца, электролит из хлорида аммония и катод из цинка. В случае не использования имеет свойство восстановления - это продлевает срок жизни батарейки.
• Щелочные . Имеет почти такой же состав что и солевые, только в качестве электролита выступает щелочной электролит.

• Поскольку сейчас практически во всех мобильных устройствах стоят ион-литиевые батареи, давайте их и рассмотрим при ответе на впорос, из чего состоит батарейка .

  Потому что их кнструкция разительно отличается от привычных круглых батареек и аккумуляторов.

  Ион-литиевые батарейки, как правило, плоские, чтобы их можно было поместить в корпус мобильного устройства. Такие батарейки состоят из слоев алюминиевой и медной фольги, разделеннных пористым полипропиленом, пропитанным электролитом. Алюминивая фольга служит катодом, медная - анодом. Носителем заряда является ион лития.

  Вся эта конструкция строго герметично запаяна и снабжена защитой от перегрева и перегрузки.

  

  Сейчас я вам в деталях объясню все составляющие батарейки:

  1. Положительный полюс
  2. Отрицательный полюс
  3. Прокладка с клапаном - предохранителем
  4. Анодный проводник
  5. Катод
  6. Металлический корпус
  7. Изоляция

  Для любителей практики, а не теории предоставляю видео - Что внутри пальчиковой батарейки:

  Так же вопрос по теме батарейки: Чем заменить батарейку?

  Смотря какую батарейку вы имеете ввиду. Но практически все батарейки состоят из Анода , Катода и Электролита . В зависимости от цены батарейки завит из чего сделаны эти элементы.

  К самым дешевым можно отнести цинк-углеродные батарейки (цинковый цилиндрический контейнер).

  Также есть алкалиновые батарейки (никель-кадмиевые), цилиндр сделан из сплава никеля. Эти батарейки стоят дороже.

  Для начала батарейка должна вмещать специальные элементы в изоляции, которые как скрывают их, так и делают их безопасными для нас. Изначально идет изоляция, затем положительный и отрицательный полюс, также внутри есть катоды и аноды, анодный проводник

  

  Любые батарейки состоят из одинаковых элементов.

  Часто под словом батарейка подразумевают гальванический элемент.

  Любой гальванический элемент состоит из анода, катода и электролита твердого, жидкого или гелеобразного.

  Я полагаю, что батарея состоит из нескольких пушек, а батарейка из одной, ну в крайнем случаи из двух пушек. Возможно и другое понимание Вашего вопроса, но я его понял именно так. А если бы и понял по другому, то не ответил бы, потому, что плохо учил химию, а по правде вообще не учил.

  Современная батарейка состоит из пяти основных частей:

  корпуса, анода (минус), катода (плюс), электролита (проводник заряда между плюсом и минусом), сепаратора (барьер между плюсом и минусом).

  Принцип работы батарейки - это превращение химической энергии в электрическую.

  Более подробная схема

  

  Солевые батарейки - В них используется пассивный уголь и двуокись марганца, электролит из хлорида аммония и катод из цинка.

  Алкалайновые (щелочные) батарейки. Здесь используется щелочной электролит.

  Серебряные батарейки имеют катоды из оксида серебра.

  Литиевые батарейки обладают очень большим сроком хранения, высокой плотностью энергии и сохраняют работоспособность в большом диапазоне температур, поскольку не содержат воды. В их состав входит литиевый катод, органический электролит и анод из различных материалов.

  Солевые (угольно-цинковые, марганцево-цинковые) батарейки. В них используется пассивный уголь и двуокись марганца, электролит из хлорида аммония и катод из цинка. В перерывах между эксплуатацией элементы питания могут восстанавливаться это обусловлено выравниванием локальных неоднородностей в композите электролита, вызванных разрядом. Это немного продлевает срок службы батарейки.

  Алкалайновые (щелочные) батарейки. От марганцево-цинковых их отличает химический состав электролита - здесь используется щелочной электролит. Такие батарейки имеют продолжительный срок хранения, а в процессе эксплуатации напряжение на электродах меняется гораздо меньше, чем у элементов с солевым раствором.

  Серебряные батарейки имеют катоды из оксида серебра. Их напряжение на 0,2 В выше, чем угольно-цинковых в одних и тех же условиях. В остальном серебряные элементы питания похожи на угольно-цинковые.

  Литиевые батарейки обладают очень большим сроком хранения, высокой плотностью энергии и сохраняют работоспособность в большом диапазоне температур, поскольку не содержат воды. В их состав входит литиевый катод, органический электролит и анод из различных материалов. Так как литий имеет наивысший отрицательный потенциал по отношению к остальным металлам, следовательно, он имеет наибольшее номинальное напряжение при минимальных размерах.

  Состав батарейки зависит от того, какая именно батарейка.

  Пальчиковая батарейка является самой распространнной, имеет пластиковый или металлический корпус, который защищает элемент от коррозии и замыкания.

  В связи с тем, что в батарейке содержится множество опасных элементов (ртуть, свинец и другие), она подлежит правильной утилизации, нужно сдавать в пункты прима.

  Выбрасывать в мусорное ведро нельзя, так как всего одна батарейка загрязняет около 20 квадратных метров почвы.

  

Первый химический источник электрического тока был изобретен случайно, в конце 17 века итальянским ученым Луиджи Гальвани. На самом деле целью изысканий Гальвани был совсем не поиск новых источников энергии, а исследование реакции подопытных животных на разные внешние воздействия. В частности, явление возникновения и протекания тока было обнаружено при присоединении полосок из двух разных металлов к мышце лягушачьей лапки. Теоретическое объяснение наблюдаемому процессу Гальвани разработал неверное, однако его опыты стали основой исследований другого итальянского ученого Алессандро Вольта, который собственно и сформулировал главную идею изобретения - причиной возникновения электрического тока является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Для подтверждения своей теории Вольт создал нехитрое устройство, состоявшее из цинковой и медной пластин погруженных в емкость с соляным раствором. Именно это устройство стало первым в мире автономным элементом питания и прародителем современных батарей, которые в честь Луиджи Гальвани именуют гальваническими элементами.

Современные автономные источники питания внешне имеют мало общего с устройством, созданным Алессандро Вольта, однако базовый принцип остался неизменным. Любая батарея состоит из трех основных элементов – двух электродов, называемых анодом и катодом, и электролита находящегося между ними. Возникновение электрического тока – это побочный результат окислительно-восстановительной реакции идущей между электродами. Выходной ток, напряжение и другие параметры батареи зависят от выбранных материалов анода, катода и электролита, а также конструкции самой батареи. Все батареи можно разделить на два больших класса – первичные и вторичные. В первичных элементах питания химические реакции являются необратимыми, а во вторичных – обратимыми. Соответственно – вторичные элементы, которые известным нам как аккумуляторы, можно восстановить (зарядить) и использовать заново.

Начало промышленного производства первичных химических источников тока было заложено в 1865 г. французом Ж. Л. Лекланше, предложившим марганцево-цинковый элемент с солевым электролитом. В 1880 г. Ф. Лаландом был создан марганцево-цинковый элемент с загущенным электролитом. Впоследствии этот элемент был значительно улучшен. Существенное улучшение характеристик было получено при применении электролитического диоксида марганца на катоде и хлорида цинка в электролите. До 1940 г. марганцево-цинковый солевой элемент был практически единственным используемым первичным химическим источником тока. Несмотря на появление в дальнейшем других первичных источников тока с более высокими характеристиками, марганцево-цинковый солевой элемент используется в очень широких масштабах, в значительной мере благодаря его относительно невысокой цене.

Одним из важнейших факторов при разработке батарей (а также любого устройства, питающегося от них) является достижение максимальной удельной емкости для элемента заданного (минимального) размера и веса. Химические реакции, протекающие внутри элемента, определяют и его емкость, и физические размеры. В принципе, вся история разработки батарей сводится к нахождению новых химических систем и упаковке их в корпуса как можно меньших размеров.

Сегодня производится множество разных типов элементов питания, некоторые из которых были разработаны еще в 19-ом веке, а другие едва отметили десятилетие. Такое разнообразие объясняется тем, что каждая технология имеет свои сильные стороны. Мы расскажем о самых распространенных из тех, что используются в мобильных устройствах.

Сухие батареи

Первыми серийно выпускаемыми элементами питания стали именно сухие. Наследники изобретения Лекланше, они являются самыми распространенными в мире. Одна лишь компания Energizer продает более 6 миллиардов таких батарей ежегодно. В общем, "говорим батарейка, подразумеваем – сухой элемент". И это, несмотря на то, что они имеют самую низкую удельную емкость из всех "массовых" типов. Объясняется такая популярность, во-первых, их дешевизной, а во-вторых, тем, что этим именем называют сразу три разных химических системы: хлорно-цинковые, щелочные и марганцево-цинковые батареи (элементы Лекланше). Их имена дают представление о химических системах, на базе которых они созданы.

В сухих элементах по оси батарейки расположен угольный стержень токосъемника катода. Сам катод это целая система, в которую входят диоксид марганца, уголь электрода и электролит. Цинковый "стаканчик" служит анодом и образует металлический корпус элемента. Электролит, в свою очередь, также представляет собой смесь, в которую входят нашатырь, диоксид марганца и хлорид цинка.

Марганцево-цинковые и хлорно-цинковые элементы отличаются, по сути, электролитом. Первые содержат в себе смесь нашатыря и хлорида цинка, разбавленную водой. В хлорно-цинковых электролит почти на 100% представляет собой хлорид цинка. Различие в номинальном напряжении у них минимально: 1,55В и 1,6В соответственно.

Несмотря на то, что хлорно-цинковые имеют большую емкость по сравнению с элементами Лекланше, это преимущество пропадает при малой нагрузке. Поэтому на них часто пишут "heavy-duty", то есть элементы с повышенной мощностью. Как бы то ни было, эффективность всех сухих элементов сильно падает при увеличении нагрузки. Именно поэтому в современные фотоаппараты их ставить не стоит, они просто для этого не предназначены.

Сколько бы не бегали розовые зайчики в рекламе, щелочные батарейки - это все те же угольно-цинковые ископаемые родом из 19го века. Единственное отличие заключается в специально подобранной смеси электролита, позволяющей добиться увеличения емкости и срока хранения таких батареек. В чем секрет? Эта смесь является несколько более щелочной, чем у двух других типов.

Если химический состав у щелочных батареек мало отличается от оного у элемента Лекланше, то в конструкции различия существенны. Можно сказать, что щелочная батарея это сухой элемент, вывернутый наизнанку. Внешний корпус у них не является анодом, это просто защитная оболочка. Анодом здесь является желеобразная смесь цинкового порошка вперемешку с электролитом (который в свою очередь является водным раствором гидроксида калия). Катод, смесь угля и диоксида марганца, окружает анод и электролит. Он отделяется слоем нетканого материала, таким как полиэстер.

В зависимости от области применения, щелочные батарейки могут прослужить в 4-5 раз дольше, чем обычные угольно-цинковые. Особенно заметна эта разница при таком режиме использования, когда короткие периоды высокой нагрузки перемежаются длительными периодами бездействия.

Важно помнить, что щелочные батарейки не являются перезаряжаемыми, потому что химические процессы, на которых они основаны, не являются обратимыми. Если ее поставить в зарядное устройство, то она будет вести себя не как аккумулятор, а скорее как резистор – начнет нагреваться. Если ее оттуда вовремя не вынуть, то она нагреется достаточно сильно, чтобы взорваться.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Название подсказывает нам, что батареи этого типа имеют никелевый анод и кадмиевый катод. Никель-кадмиевые аккумуляторы (обозначаются Ni-Cad) пользуются заслуженной популярностью у потребителей во всем мире. Не в последнюю очередь это объясняется тем, что они выдерживают большое количество циклов зарядки-разрядки - 500 и даже 1000 - без существенного ухудшения характеристик. Кроме того они относительно легкие и энергоемкие (хотя их удельная емкость приблизительно в два раза меньше, чем у щелочных батареек). С другой стороны, они содержат токсичный кадмий, так что с ними надо быть поаккуратнее, как во время использования, так и после, при утилизации.

Напряжение на выходе у большинства батарей падает по мере разрядки, потому что в результате химических реакций увеличивается их внутреннее сопротивление. Никель-кадмиевые батареи характеризуются очень низким внутренним сопротивлением, а потому могут подать на выход достаточно сильный ток, который, к тому же, практически не изменяется по мере разрядки. Соответственно, напряжение на выходе также остается практически неизменным до тех пор, пока заряд почти совсем не иссякнет. Тогда напряжение на выходе резко падает практически до нуля.

Постоянный уровень выходного напряжения является преимуществом при проектировании электрических схем, но это же делает определение текущего уровня заряда практически невозможным. Из-за такой особенности остаток энергии вычисляется на основе времени работы и известной емкости конкретного типа батарей, а потому является величиной приблизительной.

Гораздо более серьезным недостатком является "эффект памяти". Если такую батарею разрядить не полностью, а потом поставить заряжаться, то их емкость может уменьшиться. Дело в том, что при такой "неправильной" зарядке на аноде образуются кристаллы кадмия. Они и играют роль химической "памяти" батарейки, запоминая этот промежуточный уровень. Когда во время следующей разрядки заряд батареи упадет до этого уровня, выходное напряжение понизится так же, как если бы батарейка была полностью разряжена. Злопамятные кристаллы будут продолжать формироваться на аноде, усиливая влияние этого неприятного эффекта. Чтобы избавиться от него, нужно продолжить разрядку после достижения этого промежуточного уровня. Только таким образом можно "стереть" память и восстановить полную емкость батареи.

Этот прием обычно называют глубокой разрядкой. Но глубокая не значит полная, "до нуля". Это лишь навредит и укоротит срок службы элемента. Если в процессе использования напряжение на выходе упадет ниже отметки 1 Вольт (при номинальном напряжении 1,2 В), то это уже может привести к порче батарейки. Сложная техника, например КПК или ноутбуки, настроены таким образом, чтобы они отключались прежде, чем заряд аккумулятора упадет ниже предельного уровня. Для глубокой разрядки батарей нужно использовать специальные приборы, которые выпускают многие известные фирмы.

Некоторые компании-производители заявляют, что новые никель-кадмиевые аккумуляторы не подвержены влиянию эффекта памяти. Впрочем, на практике это не было доказано.

Что бы там не обещали производители, для достижения максимальной отдачи батареи следует каждый раз полностью заряжать, а потом дожидаться нормальной разрядки, чтобы они не испортились и прослужили весь срок.

Частично устранить недостатки никель-кадмиевых аккумуляторов были призваны никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы, в которых отсутствовал «опасный» кадмий. Так же, как и в никель-кадмиевых, в никель-металлогидридных аккумуляторах анод никелевый, но катоды были сделаны из гидридов, которые фактически представляют собой металлические сплавы, способные удерживать атомарный водород. У никель-металлогидридных аккумуляторов значительно слабее выражен эффект памяти, они имеют лучшее соотношение емкости и габаритных размеров. Однако никель-металлогидридные аккумуляторы выдерживают меньшее количество циклов заряд-разряд и дороже никель-кадмиевых. Также проблемой для никель-металлогидридных аккумуляторов стала большая величина саморазряда – за сутки, без нагрузки, аккумуляторы данного типа умудрялись терять до 5% от своей емкости.

Свинцовые элементы

Большинство аккумуляторов в мире - свинцовые. В основном их используют для пуска двигателей автомобилей. Прообразом этих элементов стали разработки Плантэ. В них также есть аноды, сделанные из ячеистого свинца, и катоды - из оксида свинца. Оба электрода погружены в электролит - серную кислоту.

Из-за свинца эти батареи очень тяжелы. А так как они залиты высококоррозийной кислотой (которая также утяжеляет аккумуляторы), они становятся ещё и опасными, требующими особого внимания. Кислота и испарения могут повредить соседствующие объекты (особенно металлические). А если переусердствовать с зарядкой, может начаться электролиз воды, находящейся в кислоте. При этом вырабатывается водород, взрывоопасный газ, который при определённых условиях может взорваться (как в случае взрывов Хинденбурга).

Разложение воды в батарее может привести и к другому эффекту: ведь общее количество воды в батарее уменьшается. При этом уменьшается площадь реакции внутри батареи, соответственно, уменьшается и емкость аккумулятора. Кроме того, уменьшение жидкости позволяет батарее разряжаться под воздействием атмосферы. Электроды могут шелушиться и вообще закоротить батарею.

Первые свинцовые аккумуляторы требовали регулярного ухода - было необходимо поддерживать нужный уровень воды/кислоты внутри каждого элемента. Так как в батарее подвергается электролизу только вода, заменять необходимо только её. Чтобы избежать загрязнения батареи, производители рекомендуют использовать для обслуживания только дистиллированную воду. Обычно батарею доливают до нормального уровня. Если на батарее нет метки, её необходимо доливать так, чтобы жидкость закрывала пластины электродов внутри.

В неподвижных устройствах, корпус у батарей выполнен из стекла. Оно не только хорошо держит кислоту, но и позволяет обслуживающему персоналу без особых трудностей определять состояние элементов. В автомобильной технике требуются более прочные корпуса. Инженеры для этих целей воспользовались эбонитом или пластиком.

После того, как элементы стали герметизировать, удобство использования таких свинцовых аккумуляторов стало бесценным. В результате появились так называемые необслуживаемые батареи. Так как испарения так и остаются внутри элементов, потери от электролиза сводятся к минимуму. Поэтому такие батареи и не требуют заправки водой (по крайней мере, не должны).

Но это не значит, что у таких батарей вовсе не возникает проблем с обслуживанием. Всё равно внутри плещется кислота. И эта кислота может вытечь через батарейные клапаны. При этом могут повредиться батарейные отсеки или даже оборудование, где она установлена. Инженеры избегают такой ситуации двумя способами. Можно содержать кислоту внутри пластикового сепаратора между электродами элемента (обычно, он сделан из микропористого полиолефина или полиэтилена). Либо можно смешать электролит с другим веществом, чтобы в результате получился гель - например, с коллоидальной массой наподобие желатина. В результате утечка не происходит.

Кроме опасной начинки, у свинцовых батарей есть и другие недостатки. Как было отмечено выше, они очень тяжелые. Количество энергии, которое содержится в единице массы у таких батарей меньше, чем в батареях практически любых других технологий. Это единственное, чем не удовлетворены создатели автомобилей, которые бы с большим удовольствием использовали эти недорогие свинцовые батареи в электрокарах.

С другой стороны, хотя эти батареи и дешевые, они насчитывают 150 летнюю историю. Технология позволяет модернизировать аккумуляторы для специальных нужд, например для использования в устройствах с большими циклами разряда (где батареи используются в качестве единственного источника питания) или в устройствах обеспечения бесперебойного питания, например, в больших центрах обработки информации. Свинцовые батареи также обладают низким внутренним сопротивлением и поэтому могут вырабатывать очень большие токи. В отличие от более экзотичных элементов, к примеру, никель-кадмиевых, они не подвержены эффекту памяти. (Этот эффект, применительно к никель-кадмиевым элементам, сокращает емкость батареи, если перезаряжать её ещё до того, как она полностью разрядится.) Кроме того, такие батареи достаточно долго живут и они предсказуемы. И, конечно же, они дешевы.

Источники бесперебойного питания

В большинстве таких источников используются свинцовые аккумуляторы с желеобразным электролитом. Обычно, такие устройства неприхотливы в обслуживании. Это значит, вы не задумываетесь об их обслуживании. Источники питания, тем не менее, довольно громоздки - ведь внутри находятся аккумуляторы. Будучи полностью заряженными, элементы с желеобразным электролитом постепенно портятся под воздействием постоянного слаботочного заряда. (Большинство свинцовых аккумуляторов содержатся в полностью заряженном состоянии). Поэтому такие элементы требуют специальных зарядных устройств, которые бы автоматически отключались, как только элемент полностью зарядится. Зарядное устройство должно снова включаться, как только аккумулятор разрядится до предопределённого уровня (не важно, под воздействием ли нагрузки, или в результате саморазряда). Обычно источники бесперебойного питания регулярно проверяют заряд аккумулятора.

Предотвращение электролиза

Как и в свинцовых аккумуляторах, в никель-кадмиевых батарейках возможен электролиз - распад воды в электролите на потенциально взрывоопасные водород и кислород. Производители батареек предпринимают различные меры для предотвращения этого эффекта. Обычно элементы для предотвращения утечки герметично упаковывают. Кроме того, батарейки устроены так, чтобы сначала вырабатывался не водород, а кислород, который предотвращает реакцию электролиза.

Для того чтобы герметичные аккумуляторы не взрывались, и чтобы в них не скапливался газ, обычно в батарейках предусматривают клапаны. Если закрыть эти вентиляционные отверстия, то возникнет опасность взрыва. Обычно эти отверстия настолько малы, что остаются незамеченными. Работают они автоматически. Это предостережение (не закрывать вентиляционные отверстия) относятся в основном к производителям устройств. Стандартные отсеки для батареек предполагают возможность вентиляции, но вот если залить батарейку в эпоксидной смоле, то вентиляции не будет.

Литий-ионные аккумуляторы

Литий является самым химически активным металлом и используется именно в самых компактных системах, обеспечивающих энергией самую современную мобильную технику. Литиевые катоды используются практически во всех батареях с большой емкостью. Но благодаря активности этого металла батареи получаются не только очень емкие, они также имеют самое высокое номинальное напряжение. В зависимости от анода, литий-содержащие элементы имеют выходное напряжение от 1,5 В до 3,6 В!

Основной проблемой при использовании лития опять-таки является его высокая активность. Он даже может вспыхнуть – что уж говорить, не самая приятная особенность, когда речь идет о батареях. Из-за этих проблем элементы на базе металлического лития, которые начали появляться еще в 70ых-80ых годах 20го века, "прославились" своей низкой надежностью.

Чтобы избавиться от этих трудностей, производители батарей постарались использовать литий в виде ионов. Таким образом, им удалось получить все полезные электрохимические качества, не связываясь с капризной металлической формой.

В литий-ионных элементах ионы лития связаны молекулами других материалов. Типичный Li-Ion-аккумулятор имеет угольный анод и катод из литийкобальтдиоксида. Электролит в своей основе имеет раствор солей лития.

Литиевые батареи имеют большую плотность, нежели никель-металл гидридные. Скажем, в ноутбуках такие аккумуляторы могут работать в полтора раза дольше никель-металл гидридных. Кроме того, литий-ионные элементы избавлены от эффектов памяти, которыми страдали ранние никель-кадмиевые батареи.

С другой стороны, внутреннее сопротивление у современных литиевых элементов выше, чем у никель-кадмиевых. Соответственно, они не могут обеспечить такие сильные токи. Если никель-кадмиевые элементы способны расплавить монету, то литиевые на это не способны. Но все равно, мощности таких батареек вполне хватит для работы ноутбука, если это не связано со скачкообразными нагрузками(это значит, что некоторые устройства, например, винчестер или CD-ROM, не должны вызывать высоких скачков на предельных режимах - например, при начальной раскрутке или выходе из спящего режима). Более того, даже не смотря на то, что литий-ионные батарейки выдержат не одну сотню подзарядок, они живут меньше, чем те, в которых используется никель.

Из-за того, что в литий-ионных элементах используется жидкий электролит (пусть даже отделенный слоем ткани), по форме они почти всегда являются цилиндром. Хотя такая форма ничуть не хуже форм других элементов, с появлением полимеризованных электролитов литий-ионные батареи становятся компактнее.

Литий-полимерные аккумуляторы

Наиболее продвинутой технологией, используемой сегодня при создании аккумуляторов, является литий-полимерная. Уже сейчас среди производителей, как батарей, так и компьютерных устройств наметилась тенденция по постепенному переходу к этому типу элементов. Главным преимуществом литий-полимерных батарей является отсутствие жидкого электролита. Нет, это не значит, что ученые нашли способ обходиться совсем без электролита. Анод отделен от катода полимерной перегородкой, композитным материалом, таким как полиакрилонитрит, который содержит литиевую соль.

Благодаря отсутствию жидких компонентов, литий-полимерные элементы могут принимать практически любую форму, в отличие от цилиндрических батарей других типов. Обычными формами упаковки для них являются плоские пластины или бруски. В таком виде они лучше заполняют пространство батарейного отсека. В результате, при одинаковой удельной плотности, литий-полимерные батареи оптимальной формы могут хранить на 22% больше энергии, чем аналогичные литий-ионные. Это достигается за счет заполнения "мертвых" объемов в углах отсека, которые остались бы неиспользованными в случае применения цилиндрической батареи.

Кроме этих очевидных преимуществ, литий-полимерные элементы являются экологически безопасными и более легкими, за счет отсутствия внешнего металлического корпуса.

Литий-железодисульфидные батареи

В отличие от других литий-содержащих батарей, которые имеют выходное напряжение более 3В, у литий-железодисульфидных оно в два раза меньше. Кроме того, их нельзя перезаряжать. Эта технология представляет собой некий компромисс, на который разработчики пошли, чтобы обеспечить совместимость литиевых источников питания с техникой, разработанной для использования щелочных батареек.

Химический состав батарей был специальным образом изменен. В них литиевый анод отделен от железодисульфидного катода прослойкой электролита. Этот сэндвич упаковывается в герметичный корпус с микроклапанами для вентиляции, как и никель-кадмиевые батареи.

Этот тип элементов был задуман как конкурент щелочным батарейкам. По сравнению с ними литий-железодисульфидные весят на треть меньше, имеют большую емкость, а, кроме того, еще и хранятся дольше. Даже после десяти лет хранения они сохраняют почти весь свой заряд.

Превосходство над конкурентами проявляется наилучшим образом при большой нагрузке. В случае высоких токов нагрузки литий-железодисульфидные элементы могут работать в 2,5 раза дольше, чем алкалиновые батареи того же размера. Если же на выходе не требуется высокая сила тока, то эта разница заметна гораздо меньше. К примеру, один из производителей элементов питания заявил следующие характеристики двух типов своих батарей размера AA: при нагрузке 20 мА щелочная батарейка проработает 122 часа против 135 часов у литий-железодисульфидной. Если же нагрузку увеличить до 1А, то продолжительность работы составит 0,8 и 2,1 часа соответственно. Как говорится, результат налицо.

Такие мощные батареи нет смысла ставить в устройства, потребляющие относительно немного энергии в течение длительного времени. Они были специально созданы для использования в фотоаппаратах, мощных фонарях, а в будильник или радиоприемник лучше поставить щелочные батарейки.

Технологии подзарядки

Современные устройства для подзарядки - это довольно сложные электронные приборы с различными степенями защиты - как вашей, так и ваших батареек. В большинстве случаев для каждого типа элементов существует своё собственное зарядное устройство. При неправильном использовании зарядного устройства можно испортить не только батарейки, но и само устройство, или даже системы, питаемые батарейками.

Существует два режима работы зарядных устройств - с постоянным напряжением и с постоянным током.

Самыми простыми являются устройства с постоянным напряжением. Они всегда производят одно и то же напряжение, и подают ток, зависящий от уровня заряда батарейки (и от других окружающих факторов). По мере зарядки батареи, ее напряжение увеличивается, поэтому уменьшается разница между потенциалами зарядного устройства и батареи. В результате по цепи протекает меньший ток.

Всё что нужно для такого устройства - трансформатор (для уменьшения напряжения зарядки до уровня, требуемого батарейкой) и выпрямитель (для выпрямления переменного тока в постоянный, используемый для заряда батареи). Такими простыми устройствами подзарядки пользуются для заряда автомобильных и корабельных аккумуляторов.

Как правило, подобными же устройствами заряжаются свинцовые батареи для источников бесперебойного питания. Кроме того, устройства с постоянным напряжением используются и для подзарядки литий-ионных элементов. Только там добавлены схемы для защиты батареек и их хозяев.

Второй вид зарядных устройств обеспечивает постоянную силу тока и изменяет напряжение для обеспечения требуемой величины тока. Как только напряжение достигает уровня полного заряда, зарядка прекращается. (Помните, напряжение, создаваемое элементом, падает по мере разряда). Обычно такими устройствами заряжают никель-кадмиевые и никель-металлгидридные элементы.

Кроме нужного уровня напряжения, зарядные устройства должны знать, сколько времени нужно подзаряжать элемент. Батарейку можно испортить, если слишком долго подзаряжать её. В зависимости от вида батареи и от "интеллекта" зарядного устройства для определения времени подзарядки используется несколько технологий.

В самых простых случаях для этого используется напряжение, вырабатываемое батарейкой. Зарядное устройство следит за напряжением батарейки и выключается в тот момент, когда напряжение в батарейке достигает порогового уровня. Но такая технология подходит далеко не для всех элементов. Например, для никель-кадмиевых она не приемлема. В этих элементах кривая разряда близка к прямой, и определить уровень порогового напряжения бывает очень сложно.

Более "изощренные" зарядные устройства определяет время подзарядки по температуре. То есть устройство следит за температурой элемента, и выключается, или уменьшает ток заряда, когда батарея начинает нагреваться (что означает избыточность заряда). Обычно в такие элементы питания встраиваются термометры, которые следят за температурой элемента и передают зарядному устройству соответствующий сигнал.

"Интеллектуальные" устройства используют оба этих метода. Они могут перейти с большого тока заряда на малый, или же могут поддерживать постоянный ток с помощью специальных датчиков напряжения и температуры.

Стандартные зарядные устройства дают меньший ток заряда, чем ток разряда элемента. А зарядные устройства с большим значением тока дают больший ток, чем номинальный ток разряда батарейки. Устройство для непрерывной подзарядки малым током используют настолько небольшой ток, что он разве что не даёт батарейке саморазрядиться (по определению такие устройства и используются для компенсации саморазрядки). Обычно ток заряда в таких устройствах составляет одну двадцатую, или одну тридцатую номинального тока разряда батарейки. Современные устройства зарядки часто могут работать на нескольких значениях токов заряда. Сначала они используют более высокие значения тока и постепенно переключаются на низкие, по мере приближения к полному заряду. Если используется батарейка, выдерживающая подзарядку малым током (никель-кадмиевые, например, не выдерживают), то в конце цикла подзарядки устройство переключится в этот режим. Большинство зарядных устройств для ноутбуков и сотовых телефонов разработаны так, что могут быть постоянно подключены к элементам и не причинять им вреда.