Все привыкли к щелочным (они же алкалиновые) пальчиковым батарейкам в пультах, тяжелым свинцовым в машинах, литиевым в телефонах и прочей портативной технике.
Однако, все это один и тот же тип батареек и аккумуляторов - химический, в одних химические реакции происходят до конца (первичные ХИТ), в других реакции обратимы (вторичные ХИТ).
Самой интересной, на мой взгляд, технологией ХИТ (химический источник тока) является газовый аккумулятор. Он разработан в 1955 году инженером Пресняковым.
Принцип работы основан на том, что при заряде аккумулятора электролит разлагается на различные газы, который улавливает обычный активированный уголь.
Сама конструкция не требует никаких опасных веществ и редких компонентов. Электролит при этом может быть как предельно простым, безопасным и посредственным по энергоёмкости для бытовых приборов, так и довольно сложным и требующим осторожного обращения, но гораздо более ёмким.
К минусам можно отнести довольно высокий саморазряд и большую разницу в напряжении при заряженном и разряженном состояниях.
Но плюсы перекрывают, на мой взгляд, все:
- низкая стоимость
- абсолютная экологичность
- безопасность
- не разрушается от больших токов
- хранить можно в любом состоянии и пр.
- можно сделать самому
К сожалению, работы в данном направлении для бытовых задач были прекращены. Однако, эти наработки послужили для создания никель-водородных аккумуляторов для космической отрасли.
Эти колбы содержат внутри себя газ с давлением примерно 80 атмосфер! По мере разряда давление в колбах падает, а также вырабатывается тепло, которое надо отводить.
Главный плюс этих аккумуляторов в их долговечности, ведь у них только гарантийный срок использования на орбите до 15-ти лет!
Вот такие космические "пальчиковые" батарейки :)
Также из химических источников питания могут быть интересны:
Топливные элементы. Они могли бы поспорить по размеру и ёмкости с литиевыми аккумуляторами, если бы не одно но - их не так удобно использовать. Ведь если литиевые аккумуляторы в телефоне надо менять через год-другой, а все остальное время просто подзаряжать от сети, то в топливных элементах надо менять топливные ячейки, и в это время устройство не работает.
Главное преимущество топливных элементов - КПД выше, чем у двигателя внутреннего сгорания, причем топливо сразу перерабатывается в электрический ток, а вместо выхлопных газов получается, например, вода. Согласитесь - это намного экологичнее и могло бы решить вопрос питания электромобилей.
Но к сожалению, так же как и с газовыми аккумуляторами, топливные элементы остались за кадром истории.
Ампульные одноразовые батареи. Фактически это те же одноразовые батарейки, но поскольку электролит и электроды в них хранятся порознь, то срок хранения может составлять десятки лет.
Именно батареи подобного типа используются в качестве резервных источников питания в самых важных объектах, например в ракетах.
Ионисторы или суперконденсаторы. В отличии от описанных ниже конденсаторов, здесь происходят как обратимые химические реакции, так и накопление заряженных частиц на электродах. Т.е. это уже не совсем ХИТ, а гибридный источник тока.
С момента их изобретения прошло уже более 60 лет, но они по прежнему очень дороги, а потому мало распространены в качестве аккумуляторов.
Также к минусам можно отнести большой разбег по вольтажу в зависимости от степени заряженности и большой саморазряд.
Но вы посмотрите какие плюсы!
- Большие максимальные токи зарядки и разрядки.
- Малая деградация даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда. По результатам исследования после 100 000 циклов не наблюдалось ухудшения характеристик.
- Малый вес по сравнению с конденсаторами подобной ёмкости.
- Нетоксичность.
- Малая зависимость от окружающей температуры: могут работать как на морозе, так и на жаре.
- Большая механическая прочность: выносят многократные перегрузки.
Представляете, поставили телефон заряжаться на 5 минут и пошли дальше Арктику исследовать, он не сядет на морозе!
А какие еще есть аккумуляторы?
Конденсаторы. В них электроны "прилипают" к электродам.
Для примера. Если вы потрете надувной шарик о шерсть, то он наэлектризуется, накопит на себе отрицательный заряд. Если тот шарик поднести к чему-то с положительным зарядом, то можно получить искру - электрический ток. Так и в конденсаторах, при подаче электричества на электродах "налипают" положительно и отрицательно заряженные частицы, а при нагрузке они приходят в движение.
Конденсаторы интересны тем, что служат десятилетиями. Разряжаться и заряжаться могут мгновенно, ломаться там нечему. Есть у них и свои минусы: ёмкость конденсаторов крайне мала, поэтому как аккумуляторы в чистом виде их не используют, но в электронике и электрике используются повсеместно.
Помню детьми конденсаторами большой ёмкости от ламп дневного света хотели воспользоваться как электрошокером, но на себе проверять никто не загорелся, а достойной цели не нашлось. Так и не попробовал, как жаль, в смысле, как хорошо...
Кстати, при том что конденсаторы могут изготавливаться из абсолютно безопасных материалов, есть целый список конденсаторов содержащих смертельно опасные компоненты, в интернете можно найти список опасных конденсаторов ЛСЕ.
Радиоизотопные.
Принцип работы таких элементов питания основан на том, что радиоактивный материал не нагревает воду, как в ядерном реакторе, а его излучение напрямую преобразуется в электрический ток внутри полупроводников
Раньше такие батарейки использовали в основном в космической отрасли, т.к. не удавалось полностью избавиться от лишнего радиоактивного излучения. Однако, относительно недавно появилась тритиевая батарейка, которая может работать 20 и более лет, при этом излучая на уровне фоновой радиации земли.
Вырабатывает такая батарейка смешные для нас токи, телефон от неё не запустится, но в сложной и ответственной микроэлектронике с большими перепадами температур так долго ни одна другая батарея не проработает.
Инерционные. В основном, к инерционным аккумуляторам относят те, внутри которых находится маховик. Маховик сам по себе является электродвигателем, поэтому когда через него пропускают ток, он раскручивается до огромной скорости, а когда к нему подключают нагрузку, начинает работать как генератор
Современные супермаховики способны отдавать мегаватты энергии, пусть и непродолжительное время.
Для автотранспорта самый известный накопитель на маховичной основе разработан компанией Volvo.
Также к инерционным аккумуляторам относят глубокие шахты или высотные здания, внутри которых подвешен груз на тросе. Когда требуется, груз опускается вниз, раскручивая генератор.
Гидроаккумулятор. Любая ГЭС (гидроэлектростанция) является накопителем, обычно их создают на реках создавая огромные дамбы.
Но в некоторых случаях, когда рек поблизости нет, воду внутрь такой дамбы закачивают при помощи насосов из скважины. Когда избыток электроэнергии - закачивают, а когда нехватка - спускают, вращая турбины как в обычной ГЭС.
Также гидроаккумулятором называют устройство с гидравлической системой, где пружина или газ давят на ёмкость с жидкостью. Как пример можно привести тормозную систему в машине, тоже гидравлическая. Такие типы аккумуляторов не получили развития в электроэнергетике, в отличии от ГЭС.
А вот про пневмоаккумуляторы снова заговорили, когда Французы представили свой MDI Airpod в 2009 году на Женевском автосалоне.
Есть еще концепты от Пежо и других авто производителей, некоторые из которых, могут проехать до 600 километров, но есть еще и промышленные проекты.
Проект CAES в США создан в 1991 году для сглаживания пиковых нагрузок на электростанции.
Эта пневмостанция способна выдавать 110 МВт на протяжении 26 часов!
PS
Эту статью я начинал как довольно легкую, занятную статейку, но для меня она вылилась в целое исследование, в ходе которого я перерыл весь рунет, и по англоязычному малек полазил. Материал сократил до невозможности, но и так получилось много текста...
Если вы знаете еще какие-то аккумуляторы, про которые я не упомянул, обязательно пишите о них в комментариях!