Банки с электричеством

Как большинство из нас помнит из школьного курса физики, электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц под воздействием электрического поля. Такими частицами могут быть: в проводниках – электроны, в электролитах – ионы (катионы и анионы), в газах – ионы и электроны, в вакууме – электроны, в полупроводниках – электроны и «дырки» (так называемая электронно-дырочная проводимость). Электроэнергия в промышленных масштабах производится на электростанциях, откуда она через линии электропередач и трансформаторные будки доставляется до розеток. Но нередко необходим источник тока, который заменил бы электрическую сеть, был небольшим по размерам, транспортабельным и по возможности работал долго. Эту роль в настоящее время с успехом играют химические источники тока, которые делятся на три группы: гальванические элементы, аккумуляторы и топливные элементы (по-английски fuel cell).

Что такое топливные элементы

Топливные элементы – эта тема сейчас достаточно модная. От обычного гальванического элемента топливный отличается тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакции удаляются. В гальваническом же элементе или в аккумуляторе работает только ограниченный объем вещества, запасенный заранее. Обычная батарейка или аккумулятор разрядится, а топливный элемент будет работать до тех пор, пока будет поставляться сырье для реакции. По сути это портативная электростанция.

Широкое распространение топливных элементов – это все же дело будущего. Наше настоящее – это батарейки и аккумуляторы. Первые отличаются от вторых тем, что в них идут необратимые химические реакции. Когда иссякает хотя бы один реагент, ток прекращается, батарейка разрядилась. В аккумуляторах же химические реакции носят обратимый характер. Подвергнув устройство внешнему воздействию электрическим током, можно вернуть источник тока к исходному состоянию. Возможное количество циклов перезаряда зависит от типа аккумуляторной батареи.

Предшественники аккумулятора: солевая батарейка

Среди одноразовых батареек самый распространенный тип – так называемые «солевые» батарейки, или цинково-марганцевые. В качестве окислителя в них используется диоксид марганца, а в качестве восстановителя – металлический цинк, из которого и состоит корпус батарейки, он при работе постепенно окисляется. В качестве «плюса» используется угольный электрод, поэтому батарейки такого типа также называются «угольными». Слой диоксида марганца размещен вокруг анода, а оставшееся пространство между ним и стенками контейнера заполнено пастой из хлорида аммония и хлорида цинка, разведенных в воде. Это самые дешевые и массовые батарейки, производимые в настоящее время. Одна проблема – для защиты цинка от коррозии использовалось амальгамирование, а в этом процессе применяется ртуть. А она чрезвычайно ядовита, и от данного способа решили отказаться. Усовершенствованные солевые батарейки носят название «super heavy duty». В «усиленном» составе в качестве электролита вместо хлорида аммония используется хлорид цинка.

У солевых батареек много недостатков: они быстро «садятся», значительно снижая напряжение при разряде, у них малый срок хранения. В последнее время применение таких батареек снижается, они применяются в основном в старой или маломощной технике – пультах дистанционного управления, игрушках.

Щелочные батарейки

Второй по массовости тип батареек – щелочные, их иногда называют алкалиновыми (от английского «alkaline» - щелочь). Принцип работы таких батареек точно такой же, как у солевых, и элементы используются те же – диоксид марганца и цинк, а также угольный порошок. Для защиты цинка от коррозии используются легирующие добавки. Однако вместо хлорида цинка применяется раствор гидроксида калия (едкой щелочи). Кроме того, для реакции не используется корпус: вместо этого применяется специально измельченный цинковый порошок на аноде. Реакция в щелочных батарейках идет быстрее, чем в солевых, поэтому они способны поддерживать более высокое энергопотребление. Стоимость щелочных батареек также заметно больше, однако емкость и срок службы у них также выше. Саморазряд у них меньше, они могут дольше храниться.

Другие типы батареек встречаются намного реже. Например, батарейки на основе серебра и ртути обладают превосходными качествами, однако по понятным причинам (ртуть ядовита, а серебро очень дорого) массово не выпускаются. Существуют батарейки и на основе лития (так называемые «литиевые батарейки»). Они выпускаются, к примеру, компанией Energizer.

Литиевые батарейки

В литиевых батарейках используется чистый литий в качестве восстановителя на аноде. В отличие от солевых и щелочных батареек, у литиевых емкость не зависит от типа нагрузки, поэтому они практически идеальны для приборов с высоким энергопотреблением – цифровых фотоаппаратов, к примеру. Однако стоимость литиевых батареек очень высока, в несколько раз больше, чем у качественных щелочных батареек. Устроены литиевые батарейки значительно сложнее предшественниц, ибо литий – активный щелочной металл.

Эволюция аккумуляторов

Эволюция аккумуляторов – это эволюция их составных частей: из каких веществ делать электроды, а какие – брать в качестве электролита. В самых первых моделях сотовых телефонов использовались даже свинцово-кислотные аккумуляторы (lead–acid battery), которые ныне применяются в трамваях, троллейбусах, автомобилях и источниках бесперебойного питания. Также на заре мобильных устройств в них применялись никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы (в частности, такой аккумулятор использовал ноутбук Dell 320N, выпущенный в начале 90-х годов XX века), но затем они были вытеснены на 30–50% более энергоемкими никель-металл-гидридными (NiMH) и литий-ионными аккумуляторами – также по причине большей экологической безопасности последних.

Существуют еще никель-цинковые (NiZn) аккумуляторы, которые часто продаются в виде аккумуляторных батареек размера AA (к слову, такие батарейки имеют небольшой ресурс – порядка 300 циклов зарядки-разрядки).

Самыми популярными аккумуляторами современных ПК и мобильных устройств являются литий-ионные (Li-ion). Набирают популярность литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы.

Никель-металл-гидридный аккумулятор

Такой аккумулятор, как и щелочные батарейки, использует в качестве электролита гидроксид калия. В аккумуляторе анодом является водородный металлогидридный электрод. Обычно это гибрид: никель-лантан или никель-литий. Роль катода выполняет оксид никеля.

Принцип работы этого аккумулятора прост. Добавка активного металла (лантана или лития) делает возможным восстановление оксида никеля до металла. В свою очередь, окисляется анод. При зарядке на катоде оксид никеля разрушается, и анод восстанавливается.

У этого аккумулятора есть ряд недостатков. В частности, для борьбы с «эффектом памяти» требуется полная разрядка аккумулятора раз в две-три недели. Имеет место и весьма сильный саморазряд. Кроме того, при долгом использовании пластины аккумулятора слипаются и разбухают. По этим причинам аккумуляторы типа NiMH в современных планшетах и смартфонах не используются. Однако для ранних моделей сотовых телефонов и ноутбуков NiMH-аккумулятор был и остается оптимальным ввиду невысокой цены. К тому же он способен выдержать порядка 500 циклов зарядки и неприхотлив к условиям эксплуатации (от -40 до +55 °C). {PAID}

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Наиболее популярен в настоящее время литий-ионный аккумулятор. Он весит существенно меньше, чем аккумулятор NiMH, не подвержен «эффекту памяти», имеет низкий саморазряд. Емкость у него также больше, чем у NiMH.

Первый литий-ионный аккумулятор выпущен в 1991 году компанией Sony (прототип аккумулятора был создан в 1985 году компанией Asahi Chemical). В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов: кобальтат лития и твердые растворы на основе его изоструктурного никелата, литий-марганцевая шпинель, а также литий-феррофосфат. В качестве анода используется последний материал. Переносом ионов лития и объясняется работа аккумулятора. В качестве электролита используется органический растворитель со сложными соединениями.

У Li-ion-аккумулятора также есть ряд недостатков, и прежде всего высокая цена. Кроме того, старение его происходит даже без использования, поэтому хранить эти аккумуляторы нецелесообразно, они все равно будут стареть, потеряв за первые два года до 20% емкости. К тому же все пользователи сотовых телефонов, живущие в районах с умеренным или холодным климатом, знают, что на морозе сотовый телефон очень быстро разряжается – этот тип аккумуляторов плохо переносит охлаждение до отрицательных температур.

Не допускается хранение литий-полимерных аккумуляторов в глубоко разряженном состоянии – глубокая разрядка выводит аккумулятор такого типа из строя. Также ранние модели таких аккумуляторов были подвержены взрыву вследствие замыкания пластин (в них использовался анод из металлического лития, на котором в процессе многократных циклов зарядки/разрядки возникали пространственные образования, приводящие к замыканию электродов). Выдерживает аккумулятор Li-ion при правильной эксплуатации до полутора тысяч циклов заряда-разряда. В современных литий-ионных аккумуляторах присутствует встроенная схема защиты, которая ограничивает максимальное напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда, а также препятствует слишком низкому понижению напряжения при разряде.

Оптимальные условия хранения литий-ионных аккумуляторов достигаются при заряде на уровне 40–70% и температуре около 5 °C. А если хранить такой аккумулятор при 100%-ном заряде, то при комнатной температуре он потеряет 20% емкости уже за первый год.

Литий-полимерные аккумуляторы

В настоящее время активно развиваются литий-полимерные аккумуляторы (они обозначаются аббревиатурами Li-pol, Li-poly или LiPo). Первые такие аккумуляторы появились на рынке в 1997 году. Первоначально они были предназначены для электромобилей. Отличие литий-полимерного аккумулятора от обычного литий-ионного состоит в том, что в качестве электролита применяется полимерный материал (литий-проводящий, чаще всего полиэтиленоксид или полиакрилонитрил), остальные компоненты остаются те же. Такой аккумулятор может принимать любые формы, что крайне важно в условиях ограниченного пространства. Он также может гнуться без какого-либо для себя вреда и хорошо работает и при отрицательных температурах (до минус 20 °С).

К недостаткам таких аккумуляторов можно отнести то, что они быстрее деградируют со временем по сравнению с литий-ионными аккумуляторами. Также они подвержены взрывам (если имеет место их перезаряд до слишком большого напряжения), а также пожароопасны (в случае нарушения целостности покрытия).

Ранние версии литий-полимерных аккумуляторов страдали неприятной особенностью: их внутреннее сопротивление было достаточно высоким и падало по мере роста температуры, достигая приемлемых значений только при 60 °С. В настоящее время эти проблемы устранены.

Рост интереса к литий-полимерным аккумуляторам связан с компанией Apple, которая в настоящее время использует такие аккумуляторы во всех своих продуктах. Еще год назад Apple была флагманом в этой сфере, но вскоре за ней потянулись компании HP (к примеру, литий-полимерной батареей оснащен ноутбук HP Envy 6-1054er, выведенный на рынок летом этого года), Acer (ноутбук Acer Aspire Timeline Ultra M3) и ASUS (планшет ASUS VivoTab).

В целом, по информации портала DIGITIMES.com, в текущем году доля литий-полимерных батарей в общем объеме поставок аккумуляторов вырастет с 5% в 2011 году до 15-20%. Как отмечает источник, первую волну роста производства литий-полимерных батарей вызвали планшетные ПК.

Почему смартфоны нагреваются при работе

Форумы и сайты вопросов-ответов полны рассуждений о том, почему смартфон нагревается при работе. Нагревание устройств – это нормально. Впрочем, нормально – это не значит хорошо, потому что перегрев плохо влияет на литий-ионный аккумулятор. Так, при хранении литий-ионного аккумулятора при температуре 60 °С он теряет 40% своей емкости за три месяца.

Как сообщает журнал Popular Mechanics, у нагрева смартфонов есть три основные причины: 1) плохой сигнал сети, который заставляет приемопередатчик смартфона работать активнее, 2) большая нагрузка на смартфон (смартфоны снабжены мощными процессорами, которые греются при работе), 3) процесс зарядки батареи. При зарядке аккумуляторы нагреваются потому, что через них протекает ток (i), а аккумулятор имеет внутреннее сопротивление (r). Таким образом, за время зарядки (t) ток совершает работу, равную i×r×t, выражающуюся в выделении соответствующего количества тепла. К слову, специалисты советуют не носить смартфоны в плотных чехлах, это мешает отводу тепла.

Необходимо отметить, что в Интернете дают совет отключать у смартфона зимний режим подогрева экрана – якобы гаджеты, которые завозятся в СНГ, имеют специальный «зимний подогрев». И если такой режим не отключить летом, то смартфон будет сильно разогреваться. Так вот, это не более чем шутка – зимнего режима у смартфонов не существует.