Элементы питания. Прошлое, будущее и настоящее

Предыстория

Батарея - устройство для накопления энергии. Такое определение можно дать и маховику, и часовой пружине, и дровам. Однако когда речь идёт о современных технологиях, под батареей обычно понимают автономную химическую систему, производящую электроэнергию - портативный источник питания для фонариков, видеокамер, ноутбуков.

В компьютерных технологиях батареи находят себе следующее применение: в качестве источника питания ноутбуков, для хранения параметров BIOS, для систем бесперебойного питания и для беспроводных периферийных устройств, таких как мыши и клавиатуры. Каждая из этих областей выдвигает свои специфические требования к источникам питания. В итоге элементы отличаются не только размерами, формой, ценой, но также и химической технологией.

В других современных устройствах используются те же батарейки, что и в персональных компьютерах. Так, например, у сотовых телефонов такие же требования к источникам питания, что и у ноутбуков. Поэтому и элементы питания используются те же самые.

Общая черта современных батареек заключается в том, что все они основаны на химических реакциях, работающих по одному и тому же принципу. Эти внутренние реакции в терминах химии - редоксы - сокращение от reduction-oxidation - окислительно-восстановительные реакции. Это означает, что батареи работают за счет окисления и восстановления молекул - то есть за счёт перетягивания ионов кислорода от одних молекул к другим. Такой же процесс окисления происходит и при реакции горения. Только в этом случае реакция происходит быстрее и она менее контролируема.

Во время окислительно-восстановительных реакций (при освобождении электронов из молекул) вырабатывается побочный продукт - создаётся электрический ток, способный нагреть нить накала лампочки фонарика или обеспечить работу сложной электронной схемы в компьютере или другом устройстве.

По этому принципу работают все современные батареи. Анод и катод, созданные из различных материалов (строго говоря, они должны обладать различным окислительным потенциалом, его ещё часто обозначают как E0), связаны друг с другом посредством третьего материала, называемого электролитом. Выбор материала для обоих электродов и для электролита достаточно широк, именно поэтому мы видим такое разнообразие батарейных технологий. Кроме того, от выбора материала зависит энергетическая плотность элемента (то есть количество энергии, которую может хранить батарея определённого веса и размера) и номинальное выходное напряжение.

Вы можете создать элемент питания в домашних условиях - с помощью лимона, полоски цинка и полоски меди. Сложнее будет тем, у кого дома нет ни цинка, ни меди. :)

По всей вероятности элементы питания изобретали дважды. По данным археологов, еще доисторические люди пользовались электрохимическими элементами, которые сегодня мы бы назвали батарейками. В 1932 году в Багдаде было сделано интересное открытие: возможно, возраст элементов питания - около двух с половиной тысяч лет. Первый примитивный элемент питания состоял из железного стержня, опущенного в медный цилиндр. Предположительно, была еще и жидкость, служившая электролитом. Только она не сохранилась до наших дней. Такое устройство было немногим сложнее металлических полосок в лимоне, оно вырабатывало ток, достаточный для нанесения слоя ценных металлов гальваническим методом, что позволяло меди сверкать как золото или серебро.

Второй раз элементы питания были изобретены при изучении анатомии лягушек.

Началось всё с опытов итальянского физика и анатома Луиджи Гальвани (1737-1798), производимых в Болонском университете. Было замечено, что если подвергнуть мышцы на лапках лягушки воздействию статического электрического заряда (полученного с помощью лейденской банки), то они сокращаются. В опытах по биоэлектрогенезу (так были названы сокращения мышц, коленный рефлекс) Гальвани также заметил сокращение мышц, если к ним приложить два разных металла. Он сделал вывод, что мышцы вырабатывают электричество.

С тех пор имя Гальвани ассоциировано с электричеством - сегодня процесс получения электричества с помощью химических реакций называется гальванизмом (galvanism).

Более значительный вклад для истории элементов питания сделал друг Гальвани по переписке, итальянский физик Алессандро Вольта (1745-1827). Вольта работал в университете в Паве, там он достиг тех же результатов, что и Гальвани. Но Вольта на этом не успокоился и провел серию собственных экспериментов. Вольта создал первый элемент питания. После этого, их отношения с Гальвани несколько охладели.

Вольта сделал вывод, что причиной сокращения мышц лягушки стало электричество, вырабатываемое при соприкосновении двух различных металлов. Этот вывод противоположен выводу Гальвани. Чтобы доказать своё предположение, Вольта наполнил чашу соляным раствором и погрузил в неё две металлических дуги: одну - медную, вторую - цинковую. Это устройство, первый современный элемент питания, вырабатывало электричество за счет химических реакций металлов в растворах.

К 1800 году Вольта упростил устройство батареи. Теперь батарея представляла собой стопку пластинок, где между металлическими пластинками из меди или цинка находилась пластина из кожи, пропитанной раствором соли. В результате получилась так называемая гальваническая батарея, вырабатывающая электрический ток. Единица измерения электрического потенциала - Вольт - была названа в его честь.

Достижения Вольта были использованы и в дальнейших экспериментах по созданию новых элементов питания. Во-первых, была улучшена электрохимическая система Вольта. Например, в 1836 году английский химик Джон Фредерик Даниел поместил свинец и цинк в сосуд с серной кислотой, так возник плоскостный элемент или элемент Даниела. Тремя годами позже, Вильям Роберт Гроув добавил окислительный агент, чтобы скапливающийся на катоде во время работы элемента водород не уменьшал напряжение. В двухсоставном элементе питания Гроува анод из амальгамированного цинка погружался в неполяризующийся электрод с серной кислотой, который, в свою очередь, помещался во второй сосуд, содержащий азотную кислоту и платиновый катод.

Немецкий химик Роберт Вильгельм Бунзен (более известный как создатель бунзеновской горелки, а не как исследователь электричества) доработал в 1841 году элемент Гроува - он заменил дорогой платиновый электрод дешевым угольным.

Ни один из этих примитивных элементов не дожил до наших дней. Первое значительное изобретение сделал Гастон Плантэ, разработавший в 1859 году во Франции свинцовый аккумулятор. Впервые элемент питания обрел успех. Это была подзаряжаемая батарея. Похожие электрохимические элементы с доработанной упаковкой используются в современных автомобильных аккумуляторах. Кроме того, такие же элементы, заправляющиеся желеобразным электролитом, используются в системах бесперебойного питания.

Следующим важным достижением было создание жидкостных элементов. Впервые они были изобретены и запатентованы Джорджем Леклончем в 1866 году. Леклонч использовал катоды из диоксида марганца, смешанного с углем и цинковые аноды в форме стержня. В качестве электролита использовался раствор нашатыря. Технология Леклонча дожила и до настоящего времени в виде самых дешевых элементов - углецинковых - использующихся в электрических фонариках.

Но такие элементы, в том виде, в каком они были изобретены, были громоздкими и непрактичными. Кое-кто пытался их герметизировать. Так, например, в 1881 году Ж.А.Тибо (J.A.Thiebaut) предотвратил вытекание жидкого электролита, поместив и цинковый катод, и электролит в манжетный уплотнитель. А современная пластмасса сделала технологию Леклонча незаменимой в некоторых областях. Одноразовые батарейки PolaPulse (производства Polaroid), работающие в фотокомплектах одноступенного процесса используют химические процессы, разработанные Леклончем, только они выполнены в другой оболочке.