Элементы питания. Прошлое, будущее и настоящее

Литий-ионные аккумуляторы

Литий - наиболее химически активный металл. На его основе работают современные источники питания для ноутбуков. Практически все высокоплотные источники питания используют литий в силу его химических свойств. Килограмм лития способен хранить 3860 ампер-часов. Для сравнения, показатель цинка - 820, а у свинца - и вовсе 260.

В зависимости от типа анода, литиевые элементы могут создавать напряжение от полутора до 3,6 вольт, что выше, чем у любых других элементов.

Проблема заключалась в том, что литий слишком активен. Он настолько бурно реагирует с водой, что может воспламениться. Коммерческое производство простых литиевых элементов началось в семидесятых. А уже в восьмидесятых некоторые компании стали серийно выпускать литиевые аккумуляторы. Такие батарейки быстро завоевали репутацию батареек с сомнительной безопасностью.

Для того чтобы решить эту проблему, создатели аккумуляторов пересмотрели технологию и стали использовать литий в ионном состоянии. Таким образом, был использован потенциал лития при приемлемом уровне безопасности. В таких элементах ионы лития находятся в активных веществах электродов, а не в металлических пластинах.

Обычно в таких элементах анод сделан из угля, а катод - из литийкобальтдиоксида. В качестве электролита обычно используется соляной раствор лития.

Литиевые батареи имеют большую плотность, нежели никель-металлгидридные. Такие элементы работают без подзарядки в ноутбуках в полтора раза дольше никель-металлгидридных. Кроме того, в литий-ионных элементах не наблюдаются эффекты памяти, которыми славились ранние никель-кадмиевые элементы.

С другой стороны, внутреннее сопротивление у современных литиевых элементов выше, чем у никель-кадмиевых. Соответственно, они не могут обеспечить больших токов. Если никель-кадмиевые элементы способны расплавить отвертку, то литиевые на это не способны, потому на их обечайках вы не найдёте предостережений. Но всё же, мощности в таких батарейках вполне хватит для обеспечения работы ноутбука без скачкообразных нагрузок (это значит, например, что определённые устройства, такие как жесткие диски, не должны вызывать высоких скачков нагрузки в определённых стадиях - например, при стадии раскрутки). Более того, даже не смотря на то, что литий-ионные батарейки выдерживают многократные подзарядки, такие батарейки живут меньше, чем те, в основе которых служит никель.

Так как в литий-ионных элементах используется жидкий электролит (пусть даже запакованный в тканевую прокладку), обычно они имеют форму цилиндра. Хотя такая форма ничуть не хуже форм других элементов, с появлением полимеризированных электролитов литий-ионные элементы приобретают более компактные формы

Литий полимерные элементы (Lithium Polymer)

Наиболее перспективной из современных технологий считается доработка уже знакомых нам литиевых реакций и создание на их основе литий-твердополимерного элемента. В настоящее время большинство производителей аккумуляторов переключаются на эту технологию.

Тогда как в традиционных литий-ионных элементах используется жидкий электролит, в твердополимерных элементах электролит запечатан в полимерную пластиковую прокладку, находящуюся между электродами аккумулятора.

В качестве электролита такие элементы используют полимерные композиционные материалы (таких как полиакрилонитрил) с содержанием солей лития. Так как это вовсе не жидкость, а твердый материал, новые батарейки не требуют громоздких цилиндрических корпусов как у традиционных элементов. Вместо этого элементы производятся в форме плоских многогранников, которые легче умещаются в батарейные отсеки ноутбуков.

Производители с радостью используют эту способность и компенсируют относительно невысокую плотность таких элементов (сравнимую с обыкновенными литий-ионными) тем, что используют батарейные отсеки целиком (включая те пустоты, которые бы возникали при использовании цилиндрических элементов). При этом эффективность использования этого пространства повышается на 22 процента. Литий-твердополимерные элементы экологически чище и легче обычных, так как не имеют металлической оболочки. Кроме того, они безопаснее, так как не содержат легковоспламеняющихся растворителей.

Литий-железодисульфидные элементы (Lithium-Iron Disulfide)

В отличие от других литиевых элементов, где стремятся увеличить плотность, в этих элементах реализовано компромиссное решение. Они разработаны для стандартных устройств со стандартным напряжением в 1,5 В (традиционные литиевые аккумуляторы вырабатывают вдвое большее напряжение). Поэтому на них можно часто встретить надпись "voltage-compatible lithium" - совместимы по напряжению. В отличие от других литиевых технологий, литий-железодисульфидные элементы не подзаряжаются.

Внутренне такие элементы представляют собой слой литиевого анода, сепаратор, и железодисульфидный катод с алюминиевым катодным токосъемником. Эти элементы запечатаны, но имеют клапан для вентиляции.

По сравнению со щелочными элементами (также не подзаряжаемыми), литий-железодисульфидные элементы легче (их вес составляет 66% от веса щелочных), у них выше ёмкость и срок службы. Даже если взять такой элемент со склада после десяти лет хранения, он будет практически полностью заряжен.

Литий-железодисульфидные элементы легко выдерживают большие нагрузки. Они могут питать мощные устройства в 2,6 раза дольше щелочных элементов такого же размера. Но это преимущество незаметно при низких нагрузках. Например, при токе нагрузки в 20 мА, производители этих элементов размера AA указывают на них, что они проработают 122 часа, а производители щелочных - целых 135 часов. Совсем другую картину мы видим при увеличении тока нагрузки до 1 ампера - 2,1 часа против 0,8.

Такие батарейки можно использовать там же, где и углецинковые элементы. Но свою цену они оправдывают только при высоких токах нагрузки - в больших фонариках, в устройствах с моторчиками и в мощной электронике. Использовать же их для питания часов или карманных радиоприемников - по крайней мере, не разумно.