С развитием технологий устройства делают более компактными, функциональными и мобильными. Заслуга такого совершенства аккумуляторные батареи , которые питают устройство. За все время изобретено много разных видов аккумуляторов, которые имеют свои преимущества и недостатки.
Казалось бы, перспективная десяток лет назад технология литий ионных батарей, уже не отвечает требованиям современного прогресса для мобильных устройств. Они недостаточно мощны и быстро стареют при частом использовании или долгом хранении. С тех пор выведены подвиды литиевых батарей, такие как литий-железо-фосфатные, литий-полимерные и другие.
Но наука не стоит на месте и ищет новые способы еще более лучшего сохранения электроэнергии. Так, например, изобретают другие типы батарей.
Литий-серные батареи (Li-S)
Литий серная технология позволяет получать батареи и энергоемкостью которая в два раза превышает за их родителей литий ионных. Без существенной потери в емкости такой тип батарей можно перезарядить до 1500 раз. Преимущество батареи скрывается в технологии изготовления и компоновки, где используется жидки катод с содержанием серы, при этом он отделен специальной мембраной от анода.
Литий серные батареи можно использовать в достаточно широком диапазоне температур, а себестоимость их производства достаточно низка. Для массового применения надо устранить недостаток производства, а именно утилизация серы, которая вредна для экологии.
Магниево-серные батареи (Mg/S)
До последнего времени нельзя было объединить использования серы и магния в одной ячейке, но не так давно ученые смогли это сделать. Для их работы нужно было изобрести электролит, который бы работал с обоими элементами.
Благодаря изобретению нового электролита за счет образования кристаллических частит, которые стабилизируют его. Увы, но опытный образец на данный момент не долговечен, и в серию такое батареи скорей всего не пойдут.
Фторид-ионные батареи
Для переноса зарядов между катодом и анодом в таких батареях используется анионы фтора. Этот тип аккумуляторов имеет емкость которые в десятки раз превышает за обычные литий ионные батареи, а также может похвастаться меньшей пожароопасностью. В основе электролита лежит лантане бария.
Казалось бы, перспективное направление развитие батарей, но и оно не лишено недостатков очень серьезная преграда для массового использования - это работа аккумулятора только при очень высоких температурах.
Литий-воздушные батареи (Li-O2)
Вместе с техническими достижениями человечество уже задумывается о нашей экологии и ищет все более и более чистые источники энергии. В литий воздушных аккумуляторах вместо оксидов металла в электролите применяется углерод, который вступая в реакцию с воздухом создает электрический ток.
Плотность энергии составляет до 10 кВтч/кг, что позволяет их использовать в электромобилях и мобильных устройствах. Ожидает скорое появления для конечного потребителя.
Литий-нанофосфатные батареи
Этот тип батарей является следующим поколение литий ионных батарей, среди преимуществ который является высокая скорость заряда и возможностью высокой отдачи тока. Для полного заряда, например, требуется коло 15 минут.
Новая технология использования особых нано частиц, способных обеспечивать более быстрый поток ионов позволяют увеличить количество циклов заряда – разряда в 10 раз! Само собой, они имеют слабый саморазряд и отсутствует эффект памяти. Увы, но, широкому распространению мешает большой вес аккумуляторов и необходимость в специальной зарядке.
Как вывод, можно сказать одно. Мы скоро будем наблюдать повсеместное использование электромобилей и гаджетов, которые смогут работать очень большое время без подзарядки.
Электро новости:
Автоконцерн BMW представил свой вариант электровелосипеда. Электрический велосипед BMW оснащен электромотором (250 Вт) Разгон до скорости до 25 км/ч.
Берем сотню за 2,8 секунды на электроавтомобиле? По слухам, обновление P85D позволяет сократить время разгона с 0 до 100 километров в час с 3,2 до 2,8 секунды.
Испанские инженеры разработали аккумулятор на котором можно проехать больше 1000 км! Она дешевле на 77% и заряжается всего за 8 минут
Аккумулятор служит для накопления электрической энергии, выступая автономным источником электропитания. В основу действия аккумулятора положена обратимость химических процессов, которые происходят внутри него. Именно эта особенность позволяет использовать устройство многократно и циклически (постоянный заряд и разряд). Разряженный аккумулятор заряжают методом пропускания электрического тока в таком направлении, которое противоположно направлению тока при разряде аккумулятора. АКБ в процессе работы мотора заряжается от генератора прямо в подкапотном пространстве автомобиля.
Аккумуляторная батарея имеет корпус. В данном корпусе расположены перегородки, разделяющие батарею на ячейки (банки). Аккумулятор на 12 вольт, который чаще всего устанавливается на легковых автомобилях, включает в себя 6 ячеек. В каждой банке имеются небольшие блоки, которые соединены друг с другом.
В отдельном блоке имеются положительные и отрицательные электроды. Указанные электроды представляют собой пластины (решетки), которые изготовлены из свинца (на примере свинцового аккумулятора). Данные пластины покрыты особым активным составом. Между пластинами с положительными и отрицательными полюсами также находится разделитель (сепаратор). Сепараторы изготовлены из материалов, которые не пропускают электрический ток.
Правильная зарядка автомобильного аккумулятора зарядным устройством. Проверка перед зарядкой, каким током заряжать аккумулятор. Как зарядить АКБ без ЗУ.
Что нужно знать об аккумуляторе для автомобиля
Владельцы автомобилей, которые разбираются в устройстве своего «железного коня», понимают важность такой детали, как аккумулятор. Если он неисправен, то двигатель машины в штатном режиме завести не удастся. Поэтому всем автовладельцам желательно иметь представление о назначении АКБ, принципе работы и о том, как правильно выбрать аккумулятор для своей машины. У нас на сайте есть много статей, посвященных различных аспектам эксплуатации аккумуляторов для автомобиля. В этом материале мы попытались собрать всю информацию об аккумуляторных батареях воедино. Статья ориентирована на новоиспечённых владельцев автомобилей и дает общую информацию об автомобильном аккумуляторе.
Автомобильный аккумулятор представляет собой разновидность электрической АКБ. Применяется на автомобильных и мотоциклетных транспортных средствах. Назначение аккумулятора заключается в запуске двигателя, а также выполнении функций источника питания в бортовой сети машины при заглушенном моторе. Автомобильный аккумулятор также выступает в роли стабилизатора напряжения бортовой сети транспортного средства.
Наиболее распространенными являются АКБ с номинальным напряжением 12 вольт. Их можно встретить на легковых автомобилях, микроавтобусах, легких и средних грузовиках. Аккумуляторы с напряжением 6 вольт применяются на мотоциклетной технике. А батареи с напряжением 24 вольта эксплуатируются на тяжелых грузовиках, специальной и военной технике.
Для запуска двигателя требуется его прокрутка, которую обеспечивает стартер. А питание стартера обеспечивает аккумуляторная батарея. Поэтому их ещё часто называют стартерными АКБ. В этот момент стартер потребляет большой ток (несколько сотен ампер), разряжая батарею автомобиля. После того, как машина завелась, выработку электроэнергии в бортовой сети обеспечивает генератор. Схема построена так, что при поездке на автомобиле, аккумулятор подзаряжается и восполняет заряд, который был отдан при запуске мотора.
История возникновения и развития АКБ
Первые образцы аккумуляторных батарей появились более 200 лет назад, еще на заре электротехники. Одним из первых шагов в этом направлении сделал итальянский физик Алесандро Вольта в 1800 году. Он собрал источник питания, в котором медные и цинковые пластины был помещены в кислоту для прохождения электрического ток.
Изобретение получило название «батареи Вольта». Несколькими годами позже физик Джоан Вильгельм из Германии создал сухой гальванический элемент и АКБ. Эти изобретения не имели непосредственного отношения к автомобильным аккумуляторам, но были важным шагом на пути к ним.
Спустя полвека Вильгельм Зинстеден обнаружил и исследовал электрохимический процесс, который лег в основу будущих автомобильных АКБ. Он выяснил, что если через свинцовые пластины, погруженные в серную кислоту, пропускать электрический ток, то на положительно заряженном электроде образуется двуокись свинца. При этом отрицательно заряженный электрод никак не изменяется. При замыкании этого устройства возникал ток, и он присутствовал до момента полного растворения двуокиси свинца в кислоте. Но Зинстеден лишь изучил данное явление и никак не воплотил его на практике.
И вот в 1859 году Гастон Планте создает на базе этого процесса первый образец свинцово-кислотного аккумулятора. Можно сказать, что это и был прародитель аккумулятора для автомобиля. Эта батарея включала в себя 2 пластины из свинца, которые были надеты на цилиндр из дерева и разделены прокладкой из ткани. Эта конструкция помещалась в емкость с подкисленным раствором и подключалась к электрической батарее. После проведения заряда АКБ некоторое время выдавала электрический ток постоянного значения.
Аккумуляторная батарея Планте была небольшой ёмкость и быстро разряжалась. Поэтому французский ученый стал заниматься подготовкой поверхности электродов. Он обнаружил, что для увеличения ёмкости их нужно сделать максимально пористыми. С этой целью он пропускал ток в противоположном направлении через разряженную батарею. Данный прием он назвал формовкой пластин и делал его много раз подряд для наращивания окисла свинца на поверхности пластин. Широкое распространение такие аккумуляторные батареи получили после изобретения динамо-машины, то есть, после того, как появилась возможность быстрого заряда АКБ.
Камилл Фор в 1882 году значительно продвинулся в конструкции и производстве электродов для аккумуляторов. Фор стал покрывать свинцовые пластины окислом свинца. Когда производился заряд АКБ, то этот окисел превращался в перекись. Одновременно на другой пластине образовывалась низкая степень окисла. В результате этой операции на электродах получался пористый слой окислов свинца.
Дальнейшим усовершенствованием аккумуляторов занимался уже Томас Эдисон в начале XX века. Он как раз работал в направлении усовершенствования аккумуляторов под использование их на транспортных средствах. В ходе исследований он разработал железно-никелевые АКБ. Электролитом в них был едкий калий. Через некоторое время налаживается промышленный выпуск портативных аккумуляторов для автомобилей, которые нашли применение на транспортных средствах и судах. Корпус АКБ сначала делали из дерева. Потом для этого стали использовать эбонит. Аккумуляторная батарея состояла из нескольких элементов с номинальным напряжением 2,2 вольт. К примеру, в аккумуляторе номиналом 12 вольт имеется шесть таких элементов.
В легковых автомобилях долгое время стандартом считалось использование АКБ номиналом 6 В. Примерно в середине прошлого столетия начался переход на аккумуляторы для автомобиля номиналом 12 вольт. А батареи 6 вольт остались только на легкой мотоциклетной технике. Корпуса из эбонита постепенно заменили моделями из полипропилена, который легче и прочнее. Постепенно стали появляться автомобильные аккумуляторы, которые имели различные легирующие вещества в свинцовых электродах для изменения свойств. Позже появились модели аккумуляторов, где электролит находился в связанном состоянии (AGM, GEL). Но принцип действия АКБ для автомобиля оставался неизменным на протяжении все истории их развития.
Принцип действия аккумулятора и основные характеристики
Принцип действия свинцово-кислотного аккумулятора базируется на основе электрохимических реакциях Pb и PbO 2 в электролите. В качестве электролита используется водный раствор серной кислоты. Подробнее о том, что такое , читайте по ссылке. В автомобильном аккумуляторе протекают десятки различных реакций, но мы рассмотрим только основные. Когда на выводы аккумуляторной батареи подается внешняя нагрузка, запускается электрохимический процесс взаимодействия электролита с оксидом свинца.
В результате протекания этой реакции металлический Pb окисляется до PbSO 4 . При разряде АКБ на аноде идет процесс восстановления PbO 2 , а на катоде происходит окисление Pb. В процессе заряда аккумуляторной батареи для автомобиля протекает обратный процесс. Когда сульфат свинца расходуется, начинается процесс электролиза воды. В ходе его протекания на катоде и аноде выделяются водород и кислород, соответственно.
Ниже представлены реакции, протекающие на электродах АКБ. Слева направо реакция идет в процессе разряда. Справа налево процесс происходит при заряде аккумулятора.
Анод (положительный электрод):
PbO 2 + SO 4 2- + 4H + + 2e − -> PbSO 4 + 2H 2 O
Катод (отрицательный электрод):
Pb + SO 4 2- − 2e − ->PbSO 4
Когда аккумулятор на автомобиле разряжается, идет процесс расхода серной кислоты и понижение плотности электролита. Когда аккумуляторная батарея заряжается, процесс идет в обратном направлении и плотность электролита повышается. Когда заряд подходит к концу и сульфат свинца исчерпывается до некоторого порогового значения, запускается электролиз воды.
В результате выделения водорода и кислорода создается впечатление, что электролит кипит. Лучше избегать этого процесса, поскольку при нем расходуется вода, растет плотность электролита, а из-за гремучей смеси (водород + кислород) повышается опасность взрыва.
Чтобы поддерживать необходимый уровень электролита в элементы АКБ при необходимости доливают дистиллированную воду. Подробнее о том, читайте по ссылке.
Как уже говорилось, АКБ автомобиля состоит из отдельных элементов. Сам элемент имеет в своей конструкции положительные и отрицательные электроды, а также сепараторы (разделительные пластины). Сепаратор выпускается из материалов, которые не вступают в реакцию с серной кислотой. Его назначение – это исключить замыкание пластин разной полярности. Сами электроды – это решётки, выполненные из свинца. В зависимости от типа автомобильного аккумулятора в свинец могут быть добавлены различные легирующие добавки.
На решётки положительных электродов нанесен порошок PbO2, а отрицательных электродов – порошок металлического свинца. Это делается для того, чтобы нарастить ёмкость АКБ, поскольку порошок значительно увеличивает поверхности электродов, которая взаимодействует с электролитом. Сегодня наиболее распространёнными являются АКБ для автомобиля, в которых свинцовые решётки выполнены из сплава свинца и сурьмы. Сурьмы содержится примерно 1-2 процента. Такие аккумуляторные батареи называются малосурьмянистыми (содержание сурьмы до 6 процентов). Их можно встретить в ассортименте различных производителей, включая .
Сурьма добавляется для увеличения прочности пластин. Решетки из чистого свинца недолговечны и быстро разрушаются. Решетки электродов часто легируются кальцием. Он может добавляться как в оба электрода (кальциевые аккумуляторы или Ca/Ca), так и только в отрицательный электрод (гибридные аккумуляторы Sb/Ca). Подробнее о можно прочитать в отдельной статье. Преимущество кальция в том, что он значительно снижает процесс электролиза воды и практически устраняет необходимость доливки. А главный недостаток таких батарей в необратимой потери ёмкости при глубоком разряде.
Пластины электродов погружены в электролит. Для приготовления электролита используется серная кислота и дистиллированная вода. Простую воду использовать нельзя, поскольку в ней содержатся соли магния и кальция, которые ухудшают характеристики АКБ и уменьшают срок эксплуатации.
В зависимости от концентрации серной кислоты в электролите меняется его электрическая проводимость. Она принимает максимальное значение при плотности 1,23 г/см3 и комнатной температуре. От проводимости электролита зависит внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи. Чем проводимость выше, тем внутреннее сопротивление ниже. При уменьшении внутреннего сопротивления снижаются и потери. Но плотность электролита, чаще всего, поддерживается выше. Это значение на заряженном аккумуляторе держат 1,275 г/см3. В северных регионах рекомендуется поднимать плотность до 1,29 г/см3. Делается это для того, чтобы понизить температуру замерзания электролита. В случае замерзания электролита велика вероятность коробления пластин и разрыва банок АКБ.
Основные характеристики аккумуляторной батареи
- Ёмкость аккумулятора. Характеризует количество отдаваемого электричества при разрядке до минимально допустимого напряжения. Единица измерения ёмкости ─ ампер-часы;
- Ток холодной прокрутки. Также называется пусковым током. Согласно ГОСТ проверка на заявленный пусковой ток проводится после охлаждения АКБ до -18 градусов Цельсия. Автомобильный аккумулятор разряжается пусковым током 30 секунд. После этого его напряжение должно быть не меньше 8,4 вольта. В случае разряда продолжительностью 150 секунд напряжение должно быть не меньше 6 вольт;
- Электродвижущая сила батареи (ЭДС). Параметр, показывающий напряжение на выводах батареи, на которую не повешена внешняя нагрузка и нет утечек. ЭДС можно измерить при помощи вольтметра или мультиметра;
- Внутреннее сопротивление АКБ автомобиля. Эта характеристика объединяет в себе сопротивление сепараторов, электродов, электролита, выводов и прочих элементов батареи;
- Степень заряженности. Это параметр зависит от множества факторов и точное значение узнать сложно. Но ориентировочно степень заряженности оценивается по ЭДС и плотности электролита;
- Особенности конструкции (вес, типоразмер);
- Полярность. Подробнее о том,
Все автомобильные аккумуляторы можно подразделить на следующие виды:
- Сурьмянистые. Эти модели АКБ ушли в прошлое и сегодня для автомобилей не используются. В электродах этих батарей содержится больше пяти процентов сурьмы;
- Малосурьмянистые. Пластины с уменьшенным содержанием сурьмы стали для того, чтобы снизить разложение воды на кислород и водород. Но проблема обслуживаниях в них до сих пор актуальна. На сегодняшний день один из наиболее распространенных видов АКБ;
- Кальциевые АКБ. Кальцием стали легировать свинцовые решетки для решения проблемы расхода воды и снижения саморазряда. При этом добавилась проблема потери ёмкости при глубоком разряде;
- Гибридные батареи. Это современные автомобильные аккумуляторы, которые стали попыткой найти компромисс между малосурьмянистыми и кальциевыми аккумуляторами;
- AGM и гелевые батареи. Это относительно новые аккумуляторы для автомобилей. Они стали следующим шагом в обеспечении безопасной эксплуатации автомобильных аккумуляторов;
- Щелочные аккумуляторы. В этом типе аккумуляторов вместо кислоты роль электролита выполняет щелочь. Наиболее распространены аккумуляторы никель-железо и никель─кадмий;
- Литий-ионные АКБ. Модели аккумуляторов этого вида довольно перспективны, но на сегодняшний день не получили широкого применения на автомобилях из-за ряда нерешённых проблем.
В списке ниже приводятся основные бренды автомобильных аккумуляторов, сгруппированные по странам:
- Россия (Зверь, Аком, Титан, Тюмень, Исток);
- Германия (Varta, Bosch, Moll, Tenax, Energizer);
- Польша (Sznajder, Autopart, Centra, 1 Storm, Timberg);
- Украина (Westa, Vortex, Docker, Forse, Ista, Volta, Oberon);
- Турция (Mutlu);
- Япония (FB, GS Yuasa, Panasonic, Hitachi, Alaska);
- США (Exide, Hagen, ACDelco, Afa, Duracell, American, Gigawatt, Space, Deka, Optima, Tudor);
- Италия (Fiamm);
- Казахстан (Барс);
- Словения (Tab, Topla, Moratti);
- Южная Корея (Medalist, Delkor, Solite, Nord, Rocket).
Более подробные обзоры линеек аккумуляторов разных производителей можно прочитать в разделе «Выбор». Подробнее о том, можно прочитать по ссылке.
Электрокары должны решить немало проблем окружающей среды. Если их заряжать током из возобновляемых источников, то они окажутся практически безвредны для атмосферы. Конечно, если не учитывать их технологически сложного производства. И ехать на электрической тяге без привычного гудения двигателя - просто приятнее. Морокой до сих пор остаются постоянные хлопоты из-за состояния заряда аккумулятора. Ведь если он опустится до нуля и рядом не будет ни одной зарядной станции, то проблем не оберешься.
Есть шесть решающих факторов успешности электрокаров, которые запитаны от аккумуляторных батарей. Прежде всего, речь идет о емкости - то есть сколько электроэнергии может хранить аккумулятор, количество циклического использования батареи - то есть «заряд-разряд», которые аккумулятор выдерживает, прежде чем выйти из строя, и время подпитки - то есть сколько водителю придется ждать, заряжая автомобиль, чтобы ехать дальше.
Не менее важна и надежность самого аккумулятора. Скажем, сможет ли он выдержать поездку в высокогорье или путешествие жаркой летней порой. Конечно, решая, стоит ли покупать электрокар, следует учитывать и такой фактор, как количество станций подзарядки и цену аккумуляторов.
Как далеко уедешь на батареях?
Легковые электрокары, представленные на рынке сегодня, на одном заряде преодолевают дистанции от 150 до более 200 километров. В принципе, эти расстояния можно увеличить, если удвоить или утроить количество аккумуляторов. Но, во-первых, сейчас это было бы настолько дорого, что покупка электромобиля оказалась бы непосильной, а во-вторых, сами электромобили стали бы гораздо тяжелее, поэтому их надо было бы конструировать, рассчитывая на большие нагрузки. А это противоречит цели, которые преследуют компании-производители электрокаров, а именно - легкость конструкции.
К примеру, Daimler недавно представил грузовик на электроприводе, который может преодолевать на одной подзарядке до 200 километров. Однако сам аккумулятор весит не менее двух тонн. Зато двигатель значительно легче, чем у грузовика на дизеле.
Какие аккумуляторы доминируют на рынке?
Современные аккумуляторы, безразлично, идет ли речь о мобильные телефоны, ноутбуки или электрокары, это - почти исключительно варианты так называемых литий-ионных аккумуляторов. Речь идет о разновидности типов аккумуляторов, где щелочной металл литий встречается как в положительных и отрицательных электродах, так и в жидкости - так называемом электролите. Как правило, отрицательный электрод состоит из графита. В зависимости от того, какие еще материалы применяются в положительном электроде, различают, например, литий-кобальтовые (LiCoO2), литий-титановые (Li4Ti5O12) и литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4).
Особую роль играют литий-полимерные аккумуляторы. Здесь электролитом выступает гелеобразная пластмасса. На сегодня эти аккумуляторы - самые мощные из тех, что найдешь на рынке, они достигают емкости энергии до 260 ватт-часов на килограмм. Остальные литиево-ионные аккумуляторы способны максимум на 140 до 210 ватт-часов на килограмм.
А если сравнить типы батарей?
Литий-ионные батареи очень дорогие, прежде всего, из-за высокой рыночной стоимости лития. Однако есть немало преимуществ по сравнению с теми типами сделанных из свинца и никеля аккумуляторов, которые применялись ранее.
Кроме того, литий-ионные аккумуляторы достаточно быстро заряжаются. Это означает, что с обычным током от электросети электрокар можно подзарядить за два - три часа. А на станциях специальной быстрой подзарядки на это может уйти один час.
Старые типы аккумуляторов не имеют таких преимуществ и энергии они могут аккумулировать значительно меньше. Аккумуляторы на никелевой основе имеют емкость энергии от 40 до 60 ватт-часов на килограмм. Еще хуже свойства в свинцовых аккумуляторах - емкость энергии в них около 30 ватт-часов на килограмм. Однако они - значительно дешевле и без проблем выдерживают много лет эксплуатации.
На сколько хватает современных аккумуляторов?
Многие помнят так называемый эффект памяти аккумуляторной батареи в старых аккумуляторах. Больше всего он проявлялся в никелевых аккумуляторах. Тогда, если кто-то думал зарядить аккумулятор шуруповерта или ноутбука, хотя батарея была чуть ли не наполовину заряжена, способность накапливать электрическую энергию удивительно сильно сокращалась. Поэтому перед каждым процессом зарядки следовало полностью расходовать энергию. Для электромобилей это было бы катастрофой, ведь их надо подзарядить именно тогда, когда они находятся на подходящем расстоянии от зарядной установки, а не тогда, когда у аккумулятора кончился заряд.
Зато литий-ионные аккумуляторы не имеют такого «эффекта памяти». Производители обещают до 10 000 циклов «заряд-разряд» и 20 лет бесперебойной работы. В то же время нередко опыт потребителей свидетельствует о другом - аккумуляторы ноутбуков «умирают» уже после нескольких лет работы. Кроме того, нанести непоправимый вред аккумуляторам могут внешние факторы - например, экстремальные температуры или допущенный по недосмотру полный разряд аккумулятора или его перезаряд. Очень важной в современных аккумуляторных батареях является бесперебойная работа электроники, контролирующей процесс подпитки.
Суперакумуляторы - лишь пустой звук?
Эксперты из исследовательского центра Jülich работают над разработкой кремний-воздушных аккумуляторов. Идея воздушных аккумуляторов - не такая уж и новая. Так, ранее пробовали разработать литий-воздушные аккумуляторы, в которых положительный электрод состоял бы из нанокристаллической решетки углерода. При этом сам электрод не участвует в электрохимическом процессе, а выступает лишь как проводник, на поверхности которого восстанавливается кислород.
По такому же принципу действуют и кремниево-воздушные аккумуляторы. Впрочем, они имеют преимущество, как состоящие из очень дешевого кремния, который встречается практически в неограниченном количестве в природе в виде песка. Кроме того, кремний активно используют в полупроводниковой технологии.
В дополнение к потенциально низкой себестоимости производства, технические характеристики воздушных аккумуляторов тоже, на первый взгляд, достаточно привлекательны. Ведь они могут достичь такой емкости энергии, которая превышает сегодняшние показатели втрое, а то и в десять раз.
Однако до выхода на рынок этим разработкам еще далеко. Самой большой проблемой является неудовлетворительно короткая «продолжительность жизни» воздушных аккумуляторов. Она значительно ниже 1000 циклов «заряд-разряд». Определенную надежду подает эксперимент исследователей центра Jülich. Им удалось выяснить, что продолжительность эксплуатации таких аккумуляторов можно значительно повысить, если регулярно наполнять электролит в этих аккумуляторных батареях. Но даже и при таких технических решениях эти аккумуляторы не достигнут и доли той продолжительности эксплуатации, которую имеют сегодняшние литий-ионные аккумуляторные батареи.
А сегодня расскажем о воображаемых — с гигантской удельной ёмкостью и мгновенной зарядкой. Новости о подобных разработках появляются с завидной регулярностью, но будущее пока не наступило, и мы всё ещё пользуемся появившимися в начале позапрошлого десятилетия литий-ионными аккумуляторами, либо их чуть более совершенными литий-полимерными аналогами. Так в чём же дело, в технологических трудностях, неправильной интерпретации слов учёных или чём-то другом? Попробуем разобраться.
В погоне за скоростью зарядки
Один из параметров аккумуляторов, который учёные и крупные компании постоянно стараются улучшить — скорость зарядки. Однако бесконечно увеличивать её не получится даже не в силу химических законов протекающих в аккумуляторах реакций (тем более, что разработчики алюминий-ионных батарей уже заявили, что такой тип аккумуляторов может быть полностью заряжен всего за секунду), а из-за физических ограничений. Пусть у нас есть смартфон с батареей ёмкостью 3000 мАч и поддержкой быстрой зарядки. Полностью зарядить такой гаджет можно в течение часа силой тока в среднем 3 А (в среднем потому, что напряжение при заряде изменяется). Однако если мы хотим получить полный заряд всего за одну минуту, потребуется сила тока уже в 180 А без учёта различных потерь. Для заряда устройства таким током потребуется провод диаметром около 9 мм — в два раза толще самого смартфона. Да и силу тока 180 А при напряжении около 5 В обычное зарядное устройство выдать не сможет: владельцам смартфонов понадобится импульсный преобразователь тока вроде того, что изображён на фотографии ниже.
Альтернатива увеличению силы тока — увеличение напряжения. Но оно, как правило, фиксированное, и для литий-ионный батарей составляет 3,7 В. Конечно, его можно превышать — зарядка по технологии Quick Charge 3.0 идёт с напряжением до 20 В, но попытка зарядить батарею напряжением около 220 В ни к чему хорошему не приведёт, и решить эту проблему в ближайшее время не представляется возможным. Современные элементы питания просто не могут использовать такое напряжение.
Вечные аккумуляторы
Разумеется, речь сейчас пойдёт не о «вечном двигателе», а об аккумуляторах с долгим сроком службы. Современные литий-ионные батареи для смартфонов способны выдержать максимум пару лет активного использования устройств, после чего их ёмкость неуклонно падает. Владельцам смартфонов со съёмными аккумуляторами повезло немного больше, чем другим, но и в этом случае стоит убедиться, что аккумулятор был произведён недавно: литий-ионные батарей деградируют даже тогда, когда не используются.
Своё решение этой проблемы предложили учёные Стэнфордского университета: покрыть электроды существующих типов литий-ионных аккумуляторов полимерным материалом с добавлением наночастиц графита. По задумке учёных, это позволит защитить электроды, которые неизбежно покрываются микротрещинами в процессе эксплуатации, а те же микротрещины в полимерном материале будут затягиваться самостоятельно. Принцип действия такого материала похож на технологию, применённую в смартфоне LG G Flex с самовосстанавливающейся задней крышкой.
Переход в третье измерение
В 2013 году появилось сообщение о разработке исследователями университета штата Иллинойс нового типа литий-ионных аккумуляторов. Учёные заявили, что удельная мощность таких элементов питания составит до 1000 мВт/(см*мм), в то время как удельная мощность обычных литий-ионных батарей колеблется между 10-100 мВт/(см*мм). Были использованы именно такие единицы измерения, поскольку речь идёт о достаточно небольших структурах толщиной в десятки нанометров.
Вместо плоских анода и катода, применяемых в традиционных Li-Ion батарей, учёные предложили использовать объёмные структуры: кристаллическую решётку из сульфида никеля на пористом никеле в качестве анода и литий-диоксид марганца на пористом никеле в качестве катода.
Несмотря на все сомнения, вызванные отсутствием в первых пресс-релизах точных параметров новых аккумуляторов, а также не представленные до сих пор прототипы, новый тип батарей всё же реален. Подтверждением тому служат несколько научных статей на эту тему, опубликованных за последние два года. Тем не менее, если такие батареи и станут доступны для конечных потребителей, произойдёт это очень нескоро.
Зарядка через экран
Учёные и инженеры пытаются продлить жизнь наших гаджетов не только поиском новых типов аккумуляторов или увеличением их энергоэффективности, но и довольно необычными способами. Исследователи университета штата Мичиган предложили встроить прозрачные солнечные панели прямо в экран. Поскольку принцип работы таких панелей основан на поглощении ими солнечного излучения, чтобы сделать их прозрачными, учёным пришлось пойти на хитрость: материал панелей нового типа поглощает только невидимое излучение (инфракрасное и ультрафиолетовое), после чего фотоны, отражаясь от широких граней стекла, поглощаются узкими полосками солнечных панелей традиционного типа, находящихся по его краям.
Главным препятствием для внедрения такой технологии является низкий КПД таких панелей — всего 1% против 25% традиционных солнечных панелей. Сейчас учёные ищут способы увеличить КПД хотя бы до 5%, но быстрого решения этой проблемы вряд ли стоит ожидать. К слову, похожую технологию недавно запатентовала компания Apple, но пока неизвестно, где именно в своих устройствах производитель расположит солнечные панели.
До этого мы под словами «батарея» и «аккумулятор» мы подразумевали перезаряжаемый элемент питания, но некоторые исследователи считают, что в гаджетах вполне можно использовать одноразовые источники напряжения. В качестве батареек, которые могли бы работать без подзарядки или другого обслуживания несколько лет (а то и несколько десятков лет) учёные университета штата Миссури предложили использовать РИТЭГ — радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Принцип действия РИТЭГ основан на преобразовании выделяющегося в процессе радиораспада тепла в электричество. Многим такие установки известны по использованию в космосе и труднодоступных местах на Земле, но в США миниатюрные радиоизотопные батарейки также применялись в кардиостимуляторах.
Работа над улучшенным типом таких батарей ведётся с 2009 года и даже были показаны прототипы таких элементов питания. Но увидеть радиоизотопные батарейки в смартфонах в ближайшей перспективе мы не сможем: они дороги в производстве, и, к тому же, многие страны имеют строгие ограничения на производство и оборот радиоактивных материалов.
В качестве одноразовых батареек также можно использовать и водородные элементы, но их в смартфонах использовать не получится. Водородные батареи расходуются довольно быстро: хотя ваш гаджет и будет работать от одного картриджа дольше, чем от одного заряда обычной батареи, их придётся периодически менять. Впрочем, это не мешает использовать водородные батареи в электромобилях и даже внешних аккумуляторах: пока это не массовые устройства, но уже и не прототипы. Да и компания Apple, по слухам, уже разрабатывает систему дозаправки картриджей водородом без их замены для использования в будущих iPhone.
Идея о том, что на основе графена можно создать аккумулятор с высокой удельной ёмкостью, была выдвинута ещё в 2012 году. И вот, в начале этого года в Испании было объявлено о начале строительства компанией Graphenano завода по производству графен-полимерых аккумуляторов для электромобилей. Новый тип батарей почти в четыре раза дешевле в производстве, чем традиционные литий-полимерные аккумуляторы, имеет удельную ёмкость 600 Втч/кг, а зарядить такую батарею на 50 кВтч можно будет всего за 8 минут. Правда, как мы говорили в самом начале, для этого потребуется мощность около 1 МВт, поэтому подобный показатель достижим лишь в теории. Когда именно завод начнёт выпускать первые графен-полимерные батареи не сообщается, но вполне возможно, что среди покупателей его продукции будет Volkswagen. Концерн уже заявил о планах выпуска электромобилей с пробегом до 700 километров от одного заряда аккумуляторов к 2018 году.
Что касается мобильных устройств, то пока применению в них графен-полимерных аккумуляторов мешают большие габариты таких батарей. Будем надеяться, что исследования в этой области продолжатся, ведь графен-полимерные аккумуляторы — один из наиболее перспективных типов аккумуляторов, которые могут появиться уже в ближайшие годы.
Так всё же, почему, несмотря на весь оптимизм учёных и регулярно появляющиеся новости о прорывах в области сохранения электроэнергии, мы сейчас наблюдаем застой? В первую очередь, дело в наших завышенных ожиданиях, которые только подогреваются журналистами. Мы хотим верить, что вот-вот и произойдёт революция в мире аккумуляторов, и мы получим батарейку с зарядкой менее, чем за минуту, и практически неограниченным сроком службы, от которой современный смартфон с восьмиядерным процессором будет работать минимум неделю. Но таких прорывов, увы, не бывает. Вводу в массовое производство любой новой технологии предшествуют долгие годы научных исследований, испытаний образцов, разработка новых материалов и технологических процессов и другая работа, занимающая достаточно много времени. В конце концов, тем же литий-ионным аккумуляторам понадобилось около пяти лет, чтобы из инженерных образцов превратиться в готовые устройства, которые можно использовать в телефонах.
Поэтому, нам остаётся только запасаться терпением и не воспринимать новости о новых элементах питания близко к сердцу. По крайней мере, пока не появятся новости об их запуске в массовое производство, когда не останется никаких сомнений о жизнеспособности новой технологии.
