Батарея, как вы, возможно, уже знаете, в основном состоит из трех компонентов: катода (положительный полюс), анода (отрицательный полюс) и электролита — химической среды, которая физически разделяет эти два компонента. Когда батарея подключена к электрической цепи или лампочке, химические реакции в электролите позволяют электричеству поступать в устройство.
Как и большинство устройств, которые мы используем сегодня, современные батареи являются результатом многочисленных исследований и революционных открытий. Термин «батарея» был впервые использован еще в 1748 году, когда Бенджамин Франклин описал лейденскую банку. Затем в 1880 году Алессандро Вольта представил миру свою вольтовую батарею, возможно, первую электрическую батарею.
Батареи, которые мы используем сегодня, могут быть классифицированы по размерам и, что более важно, химическому составу, но общепринятая классификация батарей — это их повторное использование.
Эти две формы батареи являются:
- Первичные или неперезаряжаемые батареи
- Вторичные элементы или перезаряжаемые батареи
Первичные батареи
Первичные аккумуляторы предназначены для одноразового использования. Это означает, что они не могут быть заряжены, потому что они сделаны из электрохимических ячеек, чья реакция не может быть обращена вспять.
Сегодня на мировом рынке аккумуляторных батарей доминируют первичные элементы. Они создают некоторые серьезные угрозы для здоровья населения и окружающей среды. Ниже мы объяснили несколько типов первичных батарей, которые находятся в популярном использовании.
10. Цинк-углеродная батарея
Поперечное сечение цинково-углеродной батареи
Емкость: 400-1700 мАч
Напряжение: 1,5 В
В цинк-углеродной батарее электричество вырабатывается в результате необратимой электрохимической реакции между цинком и оксидом марганца. Внешний слой такой батареи выполнен из цинка. Следующий слой состоит из хлорида аммония (выступающего в качестве электролита), который отделен от оксида марганца одним слоем бумаги.
В центре батареи находится углеродный стержень, который выступает в качестве положительного электрода. Углеродный стержень, в основном, собирает весь ток, генерируемый в результате окислительно-восстановительной реакции между цинком и оксидом марганца.
Идея цинково-углеродных батарей возникла из элемента Лекланше, влажного элемента, который был изобретен в 1866 году. К началу 1900-х годов цинк-углеродные батареи стали первыми сухими батареями, которые были доступны на рынке. Цинк-углеродные батареи популяризировали использование портативных устройств, таких как фонарики. Сегодня они в основном используются в радиотранзисторах и пультах дистанционного управления.
Цинкхлоридные батареи обеспечивают гораздо более высокую общую производительность, что является улучшением по сравнению с оригиналом. Из-за гораздо более чистого химического состава, хлоридно-цинковые батареи способны производить более стабильное напряжение с более длительным сроком службы.
9. Атомная батарея
Атомная или ядерная батарея вырабатывает электричество, используя энергию распада радиоактивных изотопов (определенных элементов), что весьма похоже на ядерные реакторы. Единственная разница здесь заключается в том, что атомные батареи не используют цепную реакцию. Как и ожидалось, эти батареи стоят гораздо дороже, чем другие.
Они, однако, имеют высокую выходную плотность энергии и подходят для использования в системах, которые должны работать в изолированных средах в течение длительного периода времени, таких как кардиостимуляторы, глубоководные инструменты и космические аппараты.
Основываясь на подходе преобразования энергии, атомные батареи делятся на две широкие группы; тепловой и нетепловой. Термопреобразователи, в том числе радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) и термофотовольтаические элементы, генерируют энергию за счет разности температур (тепло сначала генерируется ядерной энергией, а затем используется для производства электроэнергии).
Нетепловые преобразователи, такие как бета-гальваника, с другой стороны, производят электричество, захватывая высокоэнергетические электроны, образующиеся при распаде изотопа водорода, называемого тритием. Первая атомная батарея была разработана Генри Мозли в 1913 году на основе радия.
8. Серебряно-оксидная батарея
Серебряно-оксидные аккумуляторы
Напряжение Тока: 1,55 В
Другой тип первичных элементов — это оксидно-серебряные батареи. Для коммерческого использования оксидно-серебряные батареи обычно доступны в кнопочных элементах небольшого размера из-за связанных с этим проблем стоимости.
Однако в некоторых секторах (включая военную и космическую), где стоимость не является серьезной проблемой и необходима высокая производительность, в большом количестве используются большие оксидно-серебряные батареи нестандартного дизайна.
Серебряно-оксидные батареи были первоначально разработаны для использования в космических ракетах-носителях, пилотируемых космических аппаратах и спутниках из-за их высокой плотности энергии. От советских спутников «Спутник», лунного модуля «Аполлон» до торпед в годы Великой Отечественной войны — все они питались от таких батарей.
До настоящего времени были проведены тысячи исследований по ассимиляции серебряно-оксидных батарей в товары народного потребления.
7. Литиевая батарея
Разобранная батарея CR2032
Напряжение: от 1,5 В до 3,7 В
Термин «литиевая батарея» используется совместно для описания определенной группы батарей, основанной на химии металлов лития, в которой в качестве общего вещества используется несколько комбинаций химических веществ, в которых в качестве общего вещества используется только металлический литий (для анода). В качестве катода в наиболее широко используемых литиевых батареях используется диоксид марганца, а также растворенная литиевая соль.
Другим редким типом литиевых элементов является литий-тионилхлоридная батарея. Изобретенные в 1973 году, литий-тионилхлоридные батареи подходят для электроники малой / средней мощности и в основном не доступны для приобретения.
Имейте в виду, что литиевые батареи не перезаряжаются и отличаются от литий-ионных или литий-железо-фосфатных батарей вторичных элементов.
Хотя литиевые батареи доступны в различных формах и размерах, ячейки монетного типа являются наиболее популярными. Они также способны заменить обычные щелочные элементы в таких устройствах, как камеры.
С другой стороны, литиевые батареи представляют гораздо большую угрозу для окружающей среды и здоровья человека, чем большинство других типов батарей.
6. Никель-Оксигидроксидная батарея
Никель-оксигидроксидная батарея производства Panasonic
Напряжение: 1,7 В
Никель-оксигидроксидные (NiOx) батареи немного отличаются от стандартных щелочных батарей. Вместо того чтобы использовать только диоксид цинка и марганца для катода, они добавляют оксигидроксид никеля и графит в смесь. Это позволяет NiOx-батареям достигать относительно более высокого напряжения на элемент, что позволяет устройствам с батарейным питанием работать намного лучше.
Что ж, выход высокого напряжения обусловлен не только их новым, улучшенным химическим составом, но и производственным процессом в вакууме, в котором в батарею попадает больше электролита.
Однако более высокое напряжение может привести к неисправностям приборов с включением ламп накаливания, таких как фонари и фонарики. Это также может привести к неправильной работе индикатора заряда батареи.
5. Щелочная батарея
Ряд щелочных батарей разных размеров. Изображение предоставлено Викимедиа
Емкость: 700 мАч при нагрузке в 1 ампер (ячейка стандартного размера)
Напряжение: 1,5 В (новая батарея)
Щелочные батареи являются одними из наиболее широко используемых первичных элементов батарей в мире, которые используют химическую реакцию между цинком и диоксидом марганца для выработки электроэнергии. В качестве электролита они используют гидроксид калия, также известный как едкий калий.
В то время как есть другие типы батарей, которые используют щелочные электролиты, особенно перезаряжаемые щелочные батареи, они используют другие вещества в электродах, чем щелочные батареи. Такие ячейки обычно используются в легко переносимых предметах, таких как цифровые камеры, электрические игрушки, радиоприемники и MP3-плееры.
Вторичные батареи
В отличие от первичных батарей, вторичные батареи являются перезаряжаемыми и могут использоваться после многочисленных разрядов. Технически, вторичные батареи — это те, чья электрохимическая реакция может быть обращена вспять. Существует более двух десятков вторичных ячеек, но мы включили только самые популярные.
4. Свинцово-кислотный аккумулятор
Свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор
Напряжение: 2,1 В номинальное
До того, как все экологичные, энергосберегающие аккумуляторы стали популярными, свинцово-кислотные аккумуляторы лидировали на рынке. Первоначально изобретенный французским физиком Гастоном Планте в 1859 году, свинцово-кислотные батареи стали хитом ранних электромобилей.
Полностью заряженная свинцово-кислотная батарея несет гелеобразный свинец на отрицательном конце (электрод) и диоксид свинца на положительном конце с серной кислотой в качестве электролита. Электричество вырабатывается, когда ионы от отрицательной клеммы перемещаются в электролит, а затем поглощаются положительной клеммой. Обратная реакция происходит при зарядке.
Свинцово-кислотные батареи обычно используются в автомобильной промышленности для зажигания и освещения. Другие применения включают резервный источник питания в телефонных вышках.
Однако, эти батареи гораздо вреднее, чем другие. Токсичные соединения, выделяемые из свинцово-кислотных аккумуляторов, находятся в центре внимания природоохранных учреждений во всем мире на протяжении последних двух десятилетий.
3. Никель-кадмиевая батарея
Никель-кадмиевая батарея
Напряжение: 1,2 В
Другой тип перезаряжаемых элементов — никель-кадмиевая (NiCd) батарея, в которой в качестве электродов используется металлический гидроксид кадмия и оксида никеля и щелочной электролит, в основном гидроксид калия (KOH). Он был изобретен в 1899 году шведским изобретателем Вальдемаром Юнгнером как альтернатива свинцово-кислотным батареям.
Никель-кадмиевые батареи не подходят для многих электронных устройств, поскольку их номинальное напряжение (1,2 В) ниже, чем у стандартных цинк-углеродных и щелочных батарей. Однако, в отличие от других, напряжение никель-кадмиевого элемента уменьшается лишь незначительно по мере его разрядки. Многие портативные приборы предназначены для работы при низких напряжениях (от 0,90 до 1,0 В / элемент).
Никель-кадмиевые элементы являются одной из очень немногих известных батарей, которые потенциально могут страдать от «эффекта памяти», временного состояния, в котором батарея теряет свою максимальную емкость после многократного частичного разряда (только до определенного процента в течение длительного периода времени).
Такие батареи широко используются в индустрии игрушек и когда-то широко использовались в портативных инструментах, электронных устройствах, камерах и фонарях.
2. Никель-металлогидридная батарея
Разобранная никель-металлогидридная батарея 1. положительный вывод 2. отрицательный вывод 3. положительный электрод 4. отрицательный электрод с токосъемником 5. разделитель электродов
Напряжение: 1,2 В номинальное
Никель-металлгидридные (NiMH) батареи в основном являются обновлением по сравнению с никель-кадмиевыми ячейками. Они оба используют один и тот же щелочной электрод (гидроксид калия) и гидроксид никеля в качестве положительного электрода. Единственное отличие состоит в том, что вместо кадмия в гидриде никеля и металла используются ионы водорода для отрицательного электрода.
Это позволяет батарее NiMH иметь почти втрое большую емкость по сравнению с никель-кадмиевой батареей. Во многих случаях их плотность энергии достигает уровня литий-ионных аккумуляторов.
Никель-металл-гидридные батареи заменили некогда популярные никель-кадмиевые батареи практически во всех областях, особенно в бытовой электронике, где используются батареи типа «двойной А». Кроме того, они имеют преимущество перед стандартными щелочными батареями благодаря высокой прочности и низкому внутреннему сопротивлению.
Они также используются в различных электромобилях, хотя и реже, чем литий-ионные батареи.
1. Литий-ионная батарея
Литий-ионный аккумулятор
Напряжение: 3,2 В (литий-фосфат железа), 3,6-3,7 В номинальная
Емкость: 3000 мАч
Значительный рост количества литий-ионных аккумуляторов (LIB) объясняется его высокими эксплуатационными характеристиками, общими стандартами безопасности и более четырех десятилетий непрерывных исследований. Они почти везде; в наших смартфонах, ноутбуках, планшетах, электроинструментах, автомобилях и даже в различных аэрокосмических системах.
Литий-ионные аккумуляторы бывают разных форм, размеров и химических конфигураций. Одна из самых популярных LIB, которые используются в портативной электронике с высокой плотностью энергии, основана на оксиде лития-кобальта. Другие типы, такие как литий-ионный марганцевый оксид и литиево-железо-фосфатный аккумулятор, обеспечивают более низкую плотность энергии, но менее подвержены взрыву.
Эти батареи заряжаются при перенапряжении, при котором подается немного более высокое напряжение, чем то, что производит батарея. Во время процесса зарядки ток внутри батареи течет от положительного электрода к отрицательному электроду. Направление потока меняется при разрядке батареи.
Источник:
