Элементы питания. Прошлое, будущее и настоящее

Устройство элементов питания

Батарейки - это химические устройства, но мы часто забываем об их происхождении - ведь вся химия, как правило, скрыта от глаз. Нам видны лишь различия в размере и в напряжении.

Наверное, каждый, кто получал в подарок устройство без батареек, оценивал размер элементов. Как правило, батареек нужного размера никогда нет под рукой. Огромное разнообразие стандартов всё же лучше их полного отсутствия. Например, большинство батареек для ноутбуков не стандартизованы, и как следствие, очень дороги. Во многих случаях вы становитесь заложниками производителей батарей, заложниками их ценовой политики. В принципе, существуют сторонние производители, предлагающие подзаряжаемые батареи. Многие с недоверием относятся к качеству, безопасности и сроку службы таких элементов питания, хотя в большинстве случаев они успешно справляются с задачами. Батареи же стандартных размеров в большом ассортименте представлены многими производителями, к тому же, такие элементы значительно дешевле аккумуляторов.

Основные современные стандарты распространяются на углецинковые элементы. В принципе, другие технологии (некоторые разновидности литиевых, никель-кадмиевых, и никель-металлгидридных элементов) также следуют этим же стандартам. В стандартах определяются размеры батареей. Таким образом, устройства могут работать на батарейках от различных производителей. В следующей таблице приведены стандартные размеры батареек.

Несмотря на использование различных химических процессов, электрические показатели у них одинаковые. Поэтому они взаимозаменяемы не только по размерам, но и по электрическим параметрам. При этом следует заметить, что это не означает их полной идентичности - все слабые и сильные стороны проявляются в конкретных применениях.

Сухие элементы

Прогресс в батарейной технологии не мог ждать появления новых пластмасс. Поэтому, ученые пошли другим путём - они разработали химические процессы, позволяющие избежать использования неудобных жидкостей вообще. Заслуга в создании удобных сухих элементов принадлежит Карлу Гасснеру из города Майнца. Он запатентовал сухие элементы ещё в 1887 году. Несмотря на различные технологические доработки, современные сухие элементы всё же основаны на концепции, разработанной Гасснером.

Большинство современных экзотичных подзаряжаемых батарей - никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, множество литиевых батарей - это разработки двадцатого века, результаты исследований различных лабораторий крупных корпораций и университетов. Принципы устройства и работы батарей давно известны, поэтому новых химических процессов экспериментальным путём никто не придумал. Основные же работы ведутся в области усовершенствования и оптимизации химических процессов.

С точки зрения химии, гальванические элементы разделяются на два типа: первичные и вторичные. То есть одноразового и многоразового использования. Различаются они способами вырабатывания энергии.

В одноразовых элементах электричество вырабатывается из химической реакции, постоянно изменяющей элемент питания. В процессе разрядки - извлечения электричества из элемента - анод, катод и электролит необратимо изменяются. В таком случае после разрядки элемент попадает на пункт приёма вторсырья.

В перезаряжаемых элементах химические реакции могут протекать и в обратном направлении, при этом элемент будет накапливать электричество, а не тратить его. В отличие от первого типа, эти элементы аккумулируют электричество, потому и называются аккумуляторными батареями. Ещё их называют подзаряжаемыми (rechargable).

При прочих равных такие батареи кажутся лучше. Они уменьшают количество вредных химикалий, попадающих на свалку, так как вы не выкидываете их при разрядке. Но по практическому сравнению с обычными элементами, у подзаряжаемых элементов имеется несколько недостатков.

Химическое устройство подзаряжаемых элементов зачастую менее удобно, чем у обыкновенных элементов. Например, большинство подзаряжаемых элементов работает на агрессивных жидкостях, которые сложнее хранить - они менее стабильны. Инженеры создали одноразовые элементы, остающиеся годными даже через десять лет хранения. Что же касается аккумуляторов, практически все они сравнительно быстро теряют свой заряд. Немногие аккумуляторы сохраняют хотя бы часть своего изначального заряда через год работы или бездействия.

Перед тем как использовать, аккумуляторы необходимо заряжать, а это требует источника электричества нужного напряжения и нужного тока. В некоторых устройствах использование аккумуляторов не оправдано с практической точки зрения. Особенно, когда речь идёт о максимально дешевых переносных устройствах. Согласитесь, доплачивать 10 долларов за зарядное устройство для аккумуляторов к игрушке или фонарику за 2 доллара явно не имеет смысла.

В экстремальных ситуациях более удобны простые гальванические (одноразовые) элементы - они всегда готовы к использованию и практически целиком заряжены. Для часто используемых устройств более эффективно использовать аккумуляторы (как правило, из экономических соображений).

Химические типы

Важнейшим фактором при разработке батареек считается количество энергии, которое может хранить элемент определенного размера. Ведь источник питания должен обеспечивать работу устройства, по крайней мере, какое-то определённое время. Химические реакции, протекающие в элементе - наиболее важный фактор, определяющий энергетическую плотность и полезность батарейки. История батареек, на самом деле, это история поиска и улучшения химических реакций для увеличения плотности.

Сегодняшние батарейки используют множество различных химических реакций. Некоторые были описаны ещё в конце 19 века, некоторым едва исполнилось десять лет. Каждая из них обладает своими преимуществами при использовании в различных видах устройств. Далее мы рассмотрим наиболее популярные типы химических батарей для ноутбуков, сотовых телефонов, систем питания и периферийных устройств.