Элементы питания. Прошлое, будущее и настоящее

Казалось бы, в мире гигагерцев и наносхем слово "батарейка" выглядят архаизмом. В действительности же, батарейки не только выжили, но и обеспечили энергией современный мир. Большинство из сегодняшних электронных устройстви игрушек - цифровые камеры, mp3 плееры, PDA, ноутбуки, - не могут обойтись без элементов питания.

Заметим, что современные батарейки сильно отличаются от своих прародителей. Требования современных устройств диктуют направления развития индустрии элементов питания. Производители прикладывают огромные усилия, чтобы минимизировать их размеры для обеспечения дальнейшей миниатюризации современной техники.

Последние инновации в производстве батареек направлены на удовлетворение нужд цифровых устройств. Дело в том, что современные цифровые камеры, цветные PDA, mp3 плееры работают несколько иначе, чем электрические фонарики или старинные радиоприёмники. Для работы вспышек и экранов, для воспроизведения глубоких басов, современные устройства используют очень сильный ток. Созданные по старым технологиям батарейки не выдерживают никакой критики при работе с большими уровнями токов. Хотя новейшие гальванические элементы и функционируют по давно известным принципам (разработанным еще сто лет назад), благодаря новым технологиям и материалам они обеспечивают все потребности современных устройств.

Производители батареек знают, что удвоить ёмкость элементов не так-то просто. Чудес не бывает. Принципы работы химических реакций, на которых основана работа батареек, всем давно известны. В настоящее же время производители совершенствуют технологии. Последнее значительное достижение химии - литий-полимерные батареи - хотя и известны уже около десяти лет, пока всё ещё остаются не у дел, так как ни разработчики компьютеров, ни производители батарей, не знают, как лучшим образом использовать весь потенциал этих элементов - например, их способность принимать разнообразные геометрические формы, нетрадиционные для обычных аккумуляторов.

Если на горизонте и появится что-то принципиально новое, то это будет энергетическая система, лишь внешне похожая на обычную батарейку. На самом деле это не совсем батарейка - это топливный элемент. Десятилетиями инженеры и ученые подходили к этой идее. Эта диковинка вырабатывает энергию химическими методами более эффективно, нежели другие. Такая батарейка ещё пока экзотика, и она очень дорога (и велика, к тому же) для повседневного использования. Тем не менее, как надеются некоторые производители, через несколько лет компьютеры и сотовые телефоны будут постоянно работать несколько дней без подзарядки.

Топливные элементы: жидкий метанол в качестве источника энергии

Топливные элементы идеально подходят для персональных компьютеров. По прогнозам инженеров, ноутбук сможет работать на них 20 часов без подзарядки. Для того чтобы зарядить батарейку, вам просто придётся заполнить элемент жидким метанолом - эта несложная и безопасная операция обеспечит работу компьютера на том же самом элементе в течение следующих 20 часов.

Самое удивительное в этих прогнозах то, что инженеры считают такое возможным уже к концу 2001 года. С использованием этой же технологии сотовые телефоны придётся перезаряжать лишь раз в неделю. В конце концов, закончится это тем, что на такой энергии будут ездить автомобили, а кто-то, возможно, даже построит собственную электростанцию для обеспечения всех домашних нужд. И такое решение будет эффективнее традиционного и экологически чище.

Хотя топливные элементы и открывают новые перспективы, идея эта совсем не нова. Англичанин сэр Вильям Гроув (William Grove) первым разработал принципы функционирования топливных элементов в 1839. Начиная с 1960х NASA стала использовать щелочные топливные элементы в космосе. Уже сейчас серийно выпускаются электростанции на топливных элементах с мощностью до 200 кВт.

В действительности же, ещё в 1900 году инженеры предрекли великое будущее топливным элементам - они превзойдут другие технологии и станут главным источником энергии в промышленности и транспорте. Прошло всего сто лет. Как и многие другие великие идеи, эта была отложена - технологии того времени не могли обеспечить запросы науки. В частности, для того, чтобы разработать топливные батарейки для ноутбуков, пришлось ждать создания новых пластмасс и технологий их фабричного производства. Сегодняшняя дороговизна энергии и высокие требования к уровню загрязнения привели к тому, что начались исследования и коммерческое развитие новых топливных технологий. Топливные элементы долго созревали, и теперь они почти готовы выйти в широкое производство. Коммерческие изделия поступят в продажу уже в этом или следующем году.

Топливная батарейка никогда не изнашивается. Как и у обычной батарейки, у топливной есть и анод, и катод. Но в отличие от обычной, во время химических реакций масса электродов топливной батареи никогда не меняется: вместо этого, топливо служит в качестве источника свободных электронов и электрических полей, а электроды выполняют функции катализатора.

Как и обычные батареи, топливные элементы основываются на простой реакции окисления/восстановления (oxidation/reduction reaction), но реакция происходит в топливе, а не на электродах. Топливный элемент производит электроэнергию, пока в него поступает топливо (и пока элемент может избавляться от окисленного старого топлива). Анод в топливном элементе, как правило, опущен в топливо, а катод собирает и обеспечивает доступ к окислителю (часто в роли окислителя выступает атмосферный кислород). Прохождение реакции не влияет на электроды, так как между ними находится ионопроводящая мембрана.

У топливных элементов существует несколько преимуществ. Главное, эти элементы намного более эффективны по сравнению с любыми другими способами генерации электрической энергии, особенно с двигателями внутреннего сгорания. Эффективность уже существующих элементов составляет 50%, что в два раза выше ДВС (берущих начало с цикла Карно). Электроэнергия в элементах вырабатывается непосредственно из химических реакций, в этом случае не требуется промежуточных механических звеньев, используемых в большинстве электростанций (атомных, угольных, газовых) и также снижающих эффективность.

Кроме того, следует отметить экологическую чистоту и удобство топливных элементов. Движущихся частей в таких батареях либо вообще нет, либо крайне мало. Например, электростанции, работающие на топливных батареях, хотя и могут использовать топливные насосы, но топливные батареи не требуют коленчатых валов, поршней или клапанов. Портативные батареи вообще не имеют движущихся частей. Они не выделяют токсичных веществ и работают практически бесшумно.

Тем не менее, топливные элементы производят два типа выделений: тепловые и химические. Реакция окисления, происходящая внутри топливного элемента, похожа на реакцию горения. Таким образом, эта реакция, как и реакция горения, экзотермическая, то есть выделяет тепло. Во время работы топливные батарейки нагреваются. Элементы в батарее могут нагреваться до 50-100 градусов. Большие элементы, работающие на электростанциях, раскаляются до 1000 градусов. В таких случаях этому теплу находят применение - оно идёт либо на обогрев помещений, либо на подогрев воды.

Вдобавок ко всему, топливные элементы выделяют химические вещества - отработанное (окисленное) топливо. В отличие от отходов при других способах получения электроэнергии, эти химические отходы безвредны. В основном, экологически чистые элементы в качестве топлива используют чистый водород, который в паре с кислородом (в качестве естественного окислителя) выделяет в качестве отходов обыкновенную воду.

Элементы, использующие углеводородное топливо, такое как метанол, выделяют воду и углекислый газ, который затем попадёт в атмосферу. В отличие от ДВС, большинство топливных элементов работает при более низких температурах, а химические реакции тщательно контролируются. Поэтому они не засоряют воздух как ДВС: они просто не разогреваются до температуры, на которой вырабатывается закись азота.

Так как технологии по созданию топливных элементов появились сравнительно недавно, цена у топливных элементов выше, чем у других источников электроэнергии. Поэтому в массовую эксплуатацию они вводятся в основном из-за своих преимуществ - они экологически чистые и бесшумные. Высокая цена обуславливается зародышевым состоянием технологии производства этих элементов. Но благодаря интенсивному развитию технологий, в недалеком будущем цена на топливные элементы будет сопоставима с ценой на традиционные источники питания. В дальнейшем, быть может, они станут наиболее экономичным способом получения электроэнергии.

Самой обещающей технологией для питания портативных устройств, таких как ноутбуки и сотовые телефоны, пожалуй, является технология топливных батарей на метаноле (Direct Methanol Fuel Cell). Именно основываясь на этой технологии, Роберт Хокадэй (Robert Hockaday), физик Лос-Аламосской национальной лаборатории, разработал топливную микро-батарею, претендующую на коммерческий успех.

В соответствии с этой технологией элементы производятся следующим образом: создаётся тонкая слоистая плёнка, которая затем сворачивается в большой рулон и приобретает форму стандартных батареек. Основной недостаток метаноловых элементов заключается в токсичности топлива. Другие похожие технологии используют этанол (винный спирт), но их эффективность значительно ниже.

В скором будущем, топливные элементы станут очень популярны. По крайней мере, уже две компании - Siemens (в сотрудничестве с Фраунгоферовским институтом по установкам на солнечной энергии, Фрайбург, Германия) и Samsung продемонстрировали экспериментальные топливные батареи для портативных компьютеров. Компании показали потенциал технологий топливных элементов, но стоит отметить, что образцы были ручной сборки, и о массовом производстве речь не шла.

Ещё в 1990 году компания Хокадэя, Energy Related Devices Inc продемонстрировала экспериментальный сотовый телефон на топливных элементах. Это было первое устройство, проработавшее непрерывно 24 часа. При определённых доработках, это решение могло бы быть запущено в массовое производство. Некоторые компании, такие как PowerZyme LLC, публично предлагали наладить производство таких элементов к концу года. Но до настоящего времени ни один завод не объявил о начале массового производства топливных элементов питания для ноутбуков или сотовых телефонов.

Батареи имеют уже довольно большую историю, и у них ещё многое впереди. Сначала мы дадим краткую историческую справку о батареях и технологиях, затем мы окунемся в современные батарейные технологии. Как мы надеемся, эта статья поможет вам лучше понимать возможности батарей, их использование и обслуживание в портативных компьютерах, средствах связи и графических устройствах. Кроме того, мы расскажем о более экзотических технологиях, которые могут ждать нас в будущем.