Элементы питания. Прошлое, будущее и настоящее

Углецинковые

Батарейные технологии начинают отсчет именно с этого типа. Прообраз этого элемента был изобретён в 1866 году Джорджем Леклончем. Углецинковые элементы считаются наиболее распространёнными и имеют множество различных названий. Когда вы говорите о батарейках, вы, скорее всего, имеете в виду именно эти батарейки. К слову сказать, одна только компания - Energizer - за год продаёт шесть миллиардов таких элементов. На сегодняшний день, это самые дешевые элементы, кроме того, это элементы с наименьшей плотностью среди большинства батареек.

Причиной их популярности стали названные химические процессы. К числу таких батареек относятся элементы Леклонча, цинк-хлоридные и щелочные элементы.

В углецинковом элементе катодный токосъемник изготовлен из угля. Он представляет собой угольный стержень, проходящий по оси батарейки. На самом деле катод состоит из смеси диоксида марганца, угля и электролита. Анод выполнен из цинка и представляет собой сам корпус элемента питания. Электролит - это сложная смесь химикалий (клейстер), обычно включающая нашатырь, диоксид марганца и хлорид цинка.

Элементы Леклонча и цинк-хлоридные элементы отличаются в основном электролитом. В первом типе в качестве электролита используется разбавленная водой смесь нашатыря и хлорида цинка. В цинк-хлоридных, в основном, это хлорид цинка. Напряжение в цинк-хлоридных элементах немного больше, чем в элементах Леклонча - 1,6 Вольта, против 1,55.

Несмотря на то, что цинк-хлоридные элементы и имеют большую емкость, нежели элементы Леклонча, это разница незаметна при небольших нагрузках. Поэтому цинк-хлоридные элементы часто называют сверхмощными. В любом случае, чем выше нагрузки, тем меньше эффективность углецинковых элементов. Скажем, при увеличении тока нагрузки в два раза, емкость батарейки сокращается более чем наполовину. Поэтому чем больше тока потребляет устройство, тем больше будет размер батарейки. Именно поэтому прожорливые в энергетическом смысле устройства работают на элементах размера "D", а маломощные радиоприёмники будут работать и на элементах "АА".

Щелочные элементы (независимо от того, что говорят в рекламе) - это все лишь небольшое улучшение углецинковой технологии 19 века. Основные изменения коснулись химического состава электролита - он стал более щелочной (а чего ещё вы ожидали?). Такое изменение позволило увеличить плотность и срок годности элементов питания.

Конструкция же щелочных элементов во многом отличается от конструкции обычных углецинковых. Для улучшения эффективности, их устройство было кардинально изменено. Корпус щелочных элементов служит просто для защиты, и не играет никакой роли в химических реакциях. Анод этих элементов представляет желеобразную смесь активного цинка и электролита (который сам по себе представляет смесь гидроксида калия (являющегося щелочью) и воды). Оба этих компонента связаны с отрицательным полюсом элемента с помощью медного стержня, проходящего по оси элемента. Катод, смесь угля и диоксида марганца, размещается вокруг анода и электролита и отделяется слоем нетканого материала вроде полиэфира. На рисунке представлена конструкция щелочного элемента Duracell.

Щелочная батарейка Duracell

В зависимости от сферы применения, щелочные элементы могут работать в 4-9 раза дольше обыкновенных углецинковых элементов. Преимущество их неоспоримо при редко возникающих больших нагрузках, то есть если мощное устройство работает около часа в день, а не по несколько минут каждый час.

Номинальное напряжение углецинковых элементов - 1,5 Вольта. Но это напряжение обеспечено лишь при небольших токах в самом начале их эксплуатации. Напряжение уменьшается при увеличении нагрузки и при уменьшении заряда.

В стандартных девятивольтных батарейках используются те же химические реакции. Для обеспечения такого напряжения внутри каждой батарейки последовательно соединяется шесть углецинковых элементов. В принципе, подобным образом можно достичь ещё большего напряжения. В пятидесятых годах для работы ламповых приёмников батарейки давали напряжение от 45 до 90 Вольт. Они тоже состояли из углецинковых элементов.

Как правило, щелочные батарейки не подзаряжаются. В них не могут протекать обратные химические реакции. Если же вы попытаетесь подзарядить обычную углецинковую батарейку, она скорее станет работать как резистор, а не как аккумулятор и будет просто нагреваться. При очень сильном токе батарейка разогреется до состояния, при котором возможен взрыв - хороший повод никогда не экспериментировать с подзарядкой углецинковых или щелочных элементов.

Как и у любого правила, здесь тоже есть исключения - восстанавливаемые батарейки Renewak, производимые по лицензии корпорации Rayovac Corporation (данная технология возникла сравнительно недавно). Устройство этих батареек основано на двух углецинковых технологиях, оно отличается от устройства обыкновенных батареек. Что важно, для зарядки таких батареек требуются специальные зарядные устройства. Вместо обыкновенного постоянного тока их заряжают пульсирующим током. В зарядных устройствах эти импульсы управляются микропроцессором, именно он определяет, когда нужно дать напряжение и защищает батарейку от перегрева. Но даже такие нестандартные зарядные устройства не обеспечивают батарейкам долгой жизни. Обычно её хватает на 25-100 перезарядок. Тем временем цена на такие элементы в два раза выше, чем на обыкновенные щелочные. Но в некоторых случаях их использование может быть экономически оправдано.