Ежегодно во многих странах отмечается праздник, посвященный открытию, сделанному столетия назад, но плодами которого мы пользуемся ежеминутно, – День батарейки. Дата выбрана не случайно – в день рождения итальянского ученого Алессандро Вольты, изобретение которого стало прообразом современных батарей и аккумуляторов.
За два столетия батарейка сильно изменилась, но история ее развития все еще продолжается. Ну, а пока ученые ищут «вечную» батарейку, рассказываем о современных самых распространенных видах аккумуляторов и их представителях, которые производятся на предприятиях Ростеха.
Что общего между батарейкой и дровами? На первый взгляд – ничего. Однако можно сказать, что оба предмета являются устройствами накопления энергии. Правда в случае батареи, все не так просто – это целая химическая система, производящая электроэнергию.
Все батарейки основаны на химических реакциях, работающих по одному и тому же принципу. Химики их называют «редоксами» (сокращение от reduction-oxidation), или окислительно-восстановительные реакции. Во время этого процесса электроны освобождаются из молекул и вырабатывается побочный продукт – электрический ток, способный «зажечь» фонарик или «включить» мобильный телефон. Но, как оказалось, даже в древние времена, когда не было телефонов и фонариков, батарейки были нужны.
Удивительно, но возраст батарейки – две с половиной тысячи лет. Первый примитивный элемент питания появился в Багдаде и состоял из железного стержня в медном цилиндре, наполненном жидкостью-электролитом. Такая батарейка вырабатывала ток, достаточный для нанесения слоя ценных металлов гальваническим методом. В результате люди научились покрывать медь золотом и серебром. Сегодня сам процесс получения электричества с помощью химических реакций называется гальванизмом. Так, имя итальянского физика и анатома Луиджи Гальвани навсегда попало в историю батарейки.
Началось все с его опытов над лягушками. Гальвани заметил, что если мышцы на лапках лягушки «ударить» статическим электрическим зарядом, то они сокращаются. Проводя опыты, он также увидел, что сокращение мышц происходит даже если к ним приложить два разных металла. Гальвани решил, что мышцы вырабатывают электричество.
Идею Гальвани развил его друг по переписке физик Алессандро Вольта. Он понял, что причиной сокращения мышц лягушки стало электричество, которое появилось при соприкосновении двух различных металлов. Чтобы доказать это, Вольта наполнил чашу соляным раствором и погрузил в нее две металлических дуги: медную и цинковую. Это устройство и стало первым элементом питания, которое вырабатывало электричество за счет химических реакций металлов в растворах.
К 1800 году Вольта усовершенствовал устройство батареи. Теперь она представляла собой стопку пластинок – между пластинками из меди или цинка находилась пластина из кожи, пропитанной раствором соли. В результате получилась батарейка, вырабатывающая электрический ток, единица измерения которого была названа Вольт.
Можно сказать, что современные батареи работают по тому же принципу. Идея Вольты была использована во всех дальнейших экспериментах по созданию новых элементов питания. Конечно, в наши дни выбор материалов гораздо шире, поэтому мы видим такое разнообразие батареек. Чего только стоит появление литий-ионных аккумуляторов, открывших новую эпоху гаджетов, смартфонов, электромобилей и прочих благ цивилизации. Первый литий-ионный (Li-ion) аккумулятор был выпущен в 1991 году. Но такие батареи были разработаны еще в 1970-х, просто не было возможности применять их на практике в массовом масштабе.
В основе работы литий-ионного аккумулятора лежит тот же самый электрохимический потенциал, как и в первой батарейке Вольты. Просто здесь используется металл с наибольшей способностью отдавать электроны – литий. Итак, структурно Li-ion аккумулятор состоит из катода с производными лития на алюминиевой фольге и графитового анода на фольге из меди. Между ними располагается сепаратор, пропитанный электролитом с функциями проводника. Заряд переносят ионы лития, вызывающие соответствующую химическую реакцию.
Несмотря на многочисленные преимущества, литий-ионный аккумулятор имеет и некоторые недостатки. Например, литиевые батареи «стареют», даже если не используются, – через два года батарея теряет около 20% емкости. Еще большое значение имеет температурный режим – емкость снижается на холоде или в жару. При минусовых температурах мощность литий-ионного аккумулятора может снизиться до 40-50%. Наверное, каждый владелец мобильного телефона замечает, как быстро гаджет разряжается на морозе. В ситуации с телефоном все нет так серьезно, как, например, с беспилотным летательным аппаратом, роботизированными системами или космической техникой. Такие сферы нуждаются в новых видах аккумуляторов, которым не страшны экстремальные температуры.
НПО «Импульс» холдинга «Росэлектроника» недавно разработало литий-ионные аккумуляторы, обеспечивающие автономную работу устройств при температурах от –50 до +50 °C. Весит такая батарейка не более 150 грамм и имеет длительный срок службы – до 2700 и более циклов «заряд-разряд» в зависимости от условий эксплуатации.
Батареи могут использоваться в телекоммуникационном оборудовании, робототехнике, медицине, военной технике, беспилотниках, бортовом корабельном и авиационном оборудовании. Разработчики отмечают, что новые аккумуляторы можно применять даже в условиях Крайнего Севера и Арктики. Аккумуляторы также могут выпускаться в радиационно-стойком варианте для эксплуатации в космосе.
Новые батареи были разработаны в рамках программы импортозамещения и полностью унифицированы с иностранными изделиями, которыми ранее оснащались многие виды оборудования. НПО «Импульс» – не единственное предприятие «Росэлектроники», которое активно разрабатывает отечественные аналоги импортных аккумуляторов. К примеру, с 2001 года АО «Литий-Элемент» разработало взамен импортных литиевые батареи для внутритрубного диагностического оборудования нефтепроводов. Изделия используются компаниями «Транснефть» и «Газпром». Одно из перспективных направлений предприятия – создание литиевых батарей для автономного питания телеметрических систем бурового оборудования. В данном случае определяющим фактором является широкий температурный диапазон работы – от 0 до +165 °С. В общей сложности «Литий-Элемент» производит более 50 наименований изделий собственной разработки, электрической емкостью от 0,7 до 600 А·ч.
Многолетний опыт и научные исследования позволяют предприятиям «Росэлектроники» создавать новые источники тока, повышая качество и улучшая технические характеристики современных батарей и аккумуляторов.
