Принято считать, что днем рождения первых химических источников тока является конец семнадцатого века, а роль отца-основателя данного класса устройств приписывается итальянскому ученому Луиджи Гальвани.

По большому счету Гальвани никогда не стремился разработать новый источник электроэнергии, а в основном увлекался садистско-исследовательскими опытами над братьями нашими меньшими. Во время одного из таких экспериментов итальянский физик обнаружил, что если к мышце лягушки прислонить две полоски различных металлов, то мышца самопроизвольно сократится. Увы, теоретическое обоснование открытия далось Гальвани не столь хорошо, и он пришел к ошибочному выводу, что электричество вырабатывают мышцы. К счастью, ученый поделился данным занимательным наблюдением со своим другом, другим знаменитым итальянским физиком по имени Алессандро Вольта. Заинтересовавшись необычным явлением и поставив ряд собственных опытов, Вольта понял, что Гальвани был все-таки неправ в своих рассуждениях, и причиной возникновения электрического тока является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Для подтверждения правильности своих умозаключений Вольта собрал нехитрое устройство, состоящее из двух металлических пластинок (цинк, медь), погруженных в емкость с соляным раствором. Данная конструкция и стала первым в мире химическим источником тока. Впрочем, несмотря на то, что авторство первой полноценной батарейки принадлежит Алессандро Вольта, батарейки повелось назвать гальваническими элементами, а сам эффект выработки электроэнергии за счет химических реакций – гальванизмом.

Немного основ

С момента открытия первых батарей прошло уже свыше двухсот лет, и, конечно же, современные аккумуляторы имеют мало общего со своими предками, однако основополагающий принцип их работы остается неизменным. Батареи состоят из трех основных элементов: двух электродов (анода и катода) и электролита, который находится между электродами. Характеристики каждой конкретной батареи прежде всего зависят от выбора материалов для электродов и электролита, и, учитывая, что для этих целей можно использовать различные комбинированные соединения. Все батареи делятся на два класса, первичные и вторичные, в первых из которых химические реакции являются необратимыми, а во вторых – обратимыми, то есть данные батареи можно «перезарядить». Проследим за эволюцией подзаряжаемых элементов питания.

Свинцово-кислотные

Первая свинцовая батарея была разработана французским физиком Гастоном Плантэ в 1859 году, серийное производство началось в 1890 году, а первый автомобиль со свинцовым аккумулятором съехал с конвейера уже в 1900 году. Полтора века спустя по тем же принципам по-прежнему производятся аккумуляторы для автомобилей, лодок и прочего транспорта, а также источники бесперебойного питания и другое крупногабаритное оборудование. Внутреннее устройство свинцовых батарей выглядит следующим образом: анод состоит из свинца, катод – из оксида свинца, а электролитом является раствор серной кислоты. У свинцовых элементов самая низкая энергетическая плотность и вес батарей большой. Однако не самое лучшее соотношение веса и емкости с лихвой компенсируется другими характеристиками аккумулятора. В частности, свинцовые батареи могут выдавать крайне большие токи, обходятся весьма дешево, а кроме того, они достаточно неприхотливы, редко выходят из строя, избавлены от неприятного «эффекта памяти», да и при соблюдении правил эксплуатации практически никогда не выкидывают никаких фокусов.

Никель-кадмиевые

Раньше самыми популярными были никель-кадмиевые элементы (NiCd), которые способны выдавать 40-60 Вт/кг. В данных аккумуляторах электроды состоят из никеля (анод) и кадмия (катод). Сразу стоит заметить, что кадмий является сильнейшим ядом, поэтому такие батареи настоятельно не рекомендуется выбрасывать с общим мусором, а также вскрывать, сжигать и т.д. Никель-кадмиевые элементы могут похвастаться способностью порождать достаточно большие токи, причем, что весьма ценно, в отличие от аккумуляторов многих других типов, по мере разряда батареи напряжение слабо изменяется по сравнению с изначальным значением, и лишь при приближении уровня заряда к нулю – резко падает. Благодаря такой особенности NiCd-аккумуляторов удается существенно упростить схему устройств на их основе, отказавшись от дополнительных схем, регулирующих напряжение. Другим немаловажным достоинством никель-кадмиевых аккумуляторов является их способность выдерживать внушительное количество циклов перезарядки (500-1000). Однако полноценная работа в течение столь длительного срока обещается лишь при соблюдении правил эксплуатации, причем в данном плане никель-кадмиевые элементы весьма капризны. В частности, при неаккуратном использовании может возникать так называемый «эффект памяти», который приводит к тому, что батарейки со временем теряют часть своей изначальной мощности. Подобные проблемы начинают возникать, если подзаряжать аккумулятор до того, как он полностью разрядится. Единственное, что оставляет NiCd-аккумуляторы на плаву, – это их «бросовая» себестоимость.

Никель-металлогидридные

На смену никель-кадмиевым элементам пришли никель-металлогидридные элементы (NiMH). Конструктивно они схожи с NiCd-батареями: аноды также изготавливаются из никеля, однако для катодов используются принципиально другие соединения – гидриды. По своей природе гидриды являются особыми металлическими сплавами, способными удерживать атомарный водород. Учитывая, что водород идеально подходит для участия в окислительно-восстановительных реакциях и что содержание водорода в гидридах составляет львиную долю их общей массы, гидриды справляются со своими задачами на порядок лучше кадмия. Тем более, NiMH-технология менее токсична, и ее можно считать экологически чистой. Никель-металлогидридные батареи также выигрышнее смотрятся на фоне NiCd по соотношению емкости и веса, который у них находится на уровне 60-80 Вт/кг. То есть, в среднем при той же массе NiMH-аккумуляторы обладают на 30-50% большей емкостью. Поэтому NiMH-батареи, даже несмотря на повышенную стоимость, активнее используются в портативной электронике, нежели NiCd. К тому же избавление от кадмия благоприятно сказалось на «эффекте памяти», который стал проявляться менее явно. С другой стороны Ni-MH потеряли часть достоинств никель-кадмиевых элементов. Во-первых, они выдерживают меньшее количество циклов перезарядки – всего порядка 500. Уменьшенный жизненный цикл расстроил большинство покупателей, ведь многие поверили обещаниям крупномасштабной рекламной компании, проводимой в поддержку первых NiMH-аккумуляторов. Во-вторых, у NiMH оказались серьезные проблемы с саморазрядом: они теряли энергию в полтора-два раза быстрее, чем даже NiCd-батареи, у которых с этим также было не все в порядке. В результате всего за один день аккумулятор умудрялся пускать на ветер пять и более процентов своего заряда. Правда, постепенно с развитием NiMH-технологии данные показатели удалось выправить, однако к этому времени в исследовательских лабораториях заканчивались работы над более перспективной альтернативой – Li-Ion.

Литий-ионные

Первые аккумуляторы на основе лития появились в 70-х годах, а к 80-м технология доросла и до серийного производства. При выборе компонентов для будущих батарей выбор пал на литий не случайно, так как он является наиболее химически-активным металлом, и поэтому великолепно справляется с ролью катода в элементах питания. Однако чрезмерная активность лития нередко может привести и к неприятным последствиям, вплоть до моментального воспламенения батареи. Использование подобных аккумуляторов (пусть и с отменной емкостью) в быту было бы неоправданным риском, поэтому ученым пришлось искать искусственные способы обуздать пыл лития, сохранив его выдающиеся свойства. Спустя некоторое время выход из ситуации был все же найден – оказалось, что литий в ионном состоянии менее опасен и при этом не менее продуктивен. Внутреннее устройство данных литий-ионных аккумуляторов (Li-Ion) оказалось весьма интересным: ионы лития перемещены из катода в электролит (например, соляной раствор лития), при этом катод состоит из угля, а анод – из диоксида лития и кобальта. Впрочем, несмотря на то, что литий-ионные батареи стали на порядок безопаснее, возможность воспламенения не была исключена полностью. Самый громкий скандал вокруг взрывающихся аккумуляторов произошел как раз в последние месяцы. После того как несколько современных ноутбуков различных известных фирм взорвалось прямо на выставках, началась самая крупномасштабная в истории компания по отзыву проблемных батарей, всего под обмен попало 9.6 миллионов ноутбуков (Dell, Toshiba, Apple, Sony и других фирм), общей чертой которых были Li-Ion-батареи Sony. Причиной неисправностей, по версии Sony, послужил, однако, не изначальный недостаток технологии, а брак, допущенный при производстве (в зазор на корпусе попали частицы никеля). Данный инцидент послужил поводом для поиска замены литий-ионным аккумуляторам.

Впрочем, полноценных альтернатив Li-Ion на данный момент не так много, тем более к литий-ионным батареям нет особых претензий, если закрыть глаза на их относительную небезопасность. В частности, Li-Ion наделены высокой емкостью (90-110 Вт/кг), не подвержены действию «эффекта памяти», выдерживают огромное количество циклов перезарядки, отлично держат заряд (потери в пределах 5% в месяц). Правда, в графу минусов можно также добавить несколько пунктов, главный из которых – «эффект старения» (примерно год спустя они начинают постепенно портиться, даже если не используются), а также теплолюбивость и высокую цену. Лишь недавно Li-Ion аккумуляторы стали медленно вытесняться новыми разработками, но пока большинство современных ноутбуков, сотовых телефонов и карманных компьютеров по-прежнему питаются от батарей данного типа.

Литий-полимерные

На самом деле литий-полимерные аккумуляторы нельзя считать каким-либо откровением на рынке батарей – они всего лишь представляют собой усовершенствованный вариант Li-Ion-технологии. В их конструкции принципиально изменена лишь одна деталь – жидкий электролит заменен твердым материалом. В качестве химической основы электролита по-прежнему используются соли лития, только в данном случае они содержатся в специальной полимерной прокладке, помещенной между анодом и катодом. За счет отказа от жидкого электролита у Li-Pol-батарей появилось несколько дополнительных преимуществ. Во-первых, так как новые аккумуляторы не нуждаются в металлической оболочке, у них несколько повысилась плотность энергии (130-150 Вт/кг), а во-вторых, появилась возможность выпускать Li-Pol-батареи в корпусах практически произвольной формы, в отличие от Li-Ion, которые требуют либо цилиндрического, либо прямоугольного корпуса. Данная особенность позволяет не только полностью заполнять аккумулятором батарейный отсек, но и вообще переместить батарею в ранее недоступные места (например, в ноутбуке за матрицу дисплея – настолько тонкими они могут быть). Кроме того, Li-Pol-аккумуляторы существенно безопаснее литий-ионных, менее токсичны и при этом их себестоимость мало отличается от Li-Ion элементов питания. Так что у литий-полимерных батарей в ближайшее время есть все шансы вырваться на первое место по популярности среди аккумуляторов, и единственное, что может встать у них на пути, так это возможный запуск серийного производства серебряно-цинковых батарей, аккумуляторов на основе нанотрубок или топливных элементов.

Серебряно-цинковые

Первые серебряно-цинковые батареи были разработаны достаточно давно, и на данный момент они активно используются в военной и космической технике, а также часах, калькуляторах и другой маломощной электронике. Устройство серебряно-цинковых батарей выглядит следующим образом: анод состоит из цинка, электролит – из гидрооксида калия, а катод – из оксида серебра. Среди отличительных особенностей данных аккумуляторов можно выделить крайне высокую плотность энергии (для реальных образцов – 150-240 Вт/кг, а теоретически – до 425 Вт/кг), возможность отдавать в нагрузку огромные токи, плюс достаточно низкий саморазряд. Впрочем, с долговечностью и с многократными циклами перезарядки у них всегда были серьезные проблемы. Причиной скорого выхода батарей из строя в первую очередь было появление так называемых цинковых дендритов, приводящих впоследствии к короткому замыканию, а также все тот же электролиз воды, поэтому до недавнего времени данные аккумуляторы были непригодны для использования в ноутбуках, сотовых телефонах и прочих устройствах подобного типа. Правда, последние разработки заинтересованных компаний (в частности, Zinc Matrix Power) показали, что с серебряно-цинковыми батареями не все потеряно, и вскоре они смогут составить конкуренцию литиевым элементам. Также сторонники технологии отмечают то, что данные батареи безвредны для окружающей среды и абсолютно безопасны. А в свете последних неприятных событий вокруг литиевых батарей, у серебряно-цинковых аккумуляторов стало заметно больше шансов на успех.

Вероятно, до нашей эры тоже существовали аналоги батарей, они состояли из медного цилиндра с железным стержнем внутри, и использовались для нанесения слоев цветных металлов.