Если вы недавно заглядывали в свой хозяйственный ящик, то могли заметить различные формы, размеры и типы батарей, которые питают ваши электронные устройства. Во-первых, это круглые, неперезаряжаемые батарейки для часов и мелких предметов. Также есть популярные цилиндрические батареи AA и AAA для калькуляторов, часов и пультов. Затем у вас есть перезаряжаемые литий-ионные батареи в ваших ноутбуках и телефонах. И не забывайте о свинцово-кислотной батарее в вашем автомобиле.
Я профессор, изучающий батареи и электрохимию. Чтобы понять, почему батареи имеют множество различных размеров и форм — и выполняют множество функций — обратитесь к прошлому, к истории происхождения батарей и их развитию на протяжении многих лет.
Первые батареи были созданы в 1800-х годах, и они были довольно просты. Одной из первых демонстраций был ряд металлических дисков, замоченных в рассоле, которые, как обнаружил итальянский ученый Алессандро Вольта, создавали электрический ток. Первая свинцово-кислотная батарея состояла из нескольких кусков свинца в банке с серной кислотой.
Современные версии не так уж сильно отличаются. Они просто легче производятся и содержат различные добавки для повышения производительности.
Во всех случаях батареи работают одинаково: разница напряжений между двумя разнородными электродами создает электрический ток, который может быть разряжен для питания устройства. Перезаряжаемые батареи затем могут обратить этот ток, чтобы зарядиться снова. Внутри батареи электрический ток сопровождается потоком ионов через жидкость, электролит.
Передача каждого электрона в токе сопровождается транспортировкой одного иона через электролит. Электроды, которые могут хранить больше ионов, приводят к батареям, которые могут удерживать больше заряда и, следовательно, работать дольше без подзарядки. Электроды, разработанные для более быстрого хранения ионов, приводят к батареям, которые могут разряжаться быстрее для приложений с высокой мощностью. Наконец, возможность многократной зарядки и разрядки без ухудшения характеристик приводит к батареям с долгим сроком службы.
Свинцово-кислотные батареи
Свинцово-кислотная батарея была первой перезаряжаемой батареей, изобретенной в 1859 году Гастоном Планте, который экспериментировал со свинцовыми пластинами в кислотном растворе и обнаружил, что поток и хранение электрического тока могут быть обращены.
Свинцово-кислотная батарея должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить достаточный заряд для запуска автомобиля. Она также должна быть пригодной для использования в холодном климате и служить многие годы. Поскольку электролит представляет собой коррозионную кислоту, внешний корпус должен быть прочным, чтобы защитить людей и детали автомобиля от возможного вреда. Зная все это, становится понятно, почему современные свинцово-кислотные батареи массивны и тяжелы.
Щелочные батареи
С другой стороны, бытовые устройства, такие как калькуляторы и цифровые весы, могут использовать меньшие батареи, потому что они не требуют много заряда. Это в основном неперезаряжаемые щелочные батареи, которые используются десятилетиями. Стандартные размеры элементов — AAAA, AAA, AA, C и D, а также кнопочные и монетные элементы и многие другие.
Размеры связаны с количеством хранимого заряда — чем больше батарея, тем больше она содержит — и размерами устройств, которые они питают.
Иногда вы можете найти щелочные батареи прямоугольной формы, например, распространенные 9-вольтовые батареи, но если открыть внешний корпус, вы обнаружите, что внутри они просто несколько соединенных вместе цилиндрических элементов. Цилиндрические батареи существуют так долго и так широко используются, что компаниям просто не имеет смысла производить что-то иное — это потребовало бы инвестиций для изменения их производственных мощностей, чего они предпочли бы избежать.
Литий-ионные батареи
Первыми широко используемыми перезаряжаемыми батареями для бытовой электроники были никель-кадмиевые батареи, которые были популярны до конца 20-го века. Но у них были свои недостатки. Кадмий очень токсичен, и батареи страдали от "эффекта памяти", который сокращал их срок службы.
На протяжении многих десятилетий литий изучался для потенциального использования в перезаряжаемых батареях из-за его уникальных свойств как легкого металла, который хранит много энергии. Первой коммерциализировала литий-ионную батарею в 1991 году компания Sony.
Компания производила цилиндрические элементы, потому что это было проще всего изготовить. В 1990-х годах Sony производила много видеокамер и кассет, и, таким образом, имела много оборудования для производства рулон за рулоном. Было естественно переоснастить это оборудование для производства рулонов электродов батарей, которые изготавливаются путем нанесения пленок на листы меди или алюминия и затем скручивания их в цилиндр «желеобразный рулон».
Толстый корпус этих цилиндрических элементов механически прочен, и для добавления еще одного уровня безопасности они имеют клапан сброса давления. Очень быстро эти ранние литий-ионные элементы завоевали рынок портативной электроники, особенно для ноутбуков и мобильных телефонов, так как они хранили больше энергии и работали дольше, чем никель-кадмиевые перезаряжаемые батареи.
Факторы, определяющие форму батареи
Батареи производятся определенных размеров и форм по причинам стоимости и производственной возможности, но в других случаях из-за наследия производственных процессов. Рыночный спрос также играет роль.
Например, электромобили не стали популярными, пока Tesla не начала производить автомобили на основе цилиндрических литий-ионных элементов, в отличие от прямоугольных мешковых или призматических элементов, которые использовали другие производители электромобилей. Мешковые и призматические элементы можно упаковать плотно, но поскольку цилиндрические элементы уже массово производились для портативной электроники, Tesla смогла создать более дешевые электромобили в 2010-х годах.
Формы и размеры будущих батарей зависят не только от того, сколько энергии они хранят, но и от рыночной экономики — насколько легко изготовить каждый тип элемента, сколько это стоит и для чего они используются. И эти факторы являются смесью инноваций и истории.
