В современном мире мы уже и не задумываемся о том, откуда наши гаджеты берут энергию. Пришел домой – поставил на зарядку, на следующий день забрал с зарядки – и так по кругу. Все довольно просто, но вы никогда не думали, как время нахождения в розетке конвертируется в автономную работу?
Понятное дело, что во всем виновата электроэнергия, но как ее хранить? Притом не просто хранить, а сделать так, чтобы аккумулятор отдавал ее только когда она нужна, а все остальное время – не отдавал? Итак, давайте погружаться в мир устройств, без которых не было бы современной техники – аккумуляторов. Начальник погружной команды – Игорь Позняев, автор канала «Блог системного администратора». Давайте посмотрим, откуда берется автономность у гаджетов.
Но сперва – принцип работы
Аккумуляторы работают по примерно одному принципу – принципу обратимой электрохимической реакции. Когда вы ставите аккумулятор на зарядку, электроэнергия из сети (в нашем случае – из розетки) заставляет ионы (заряженные частицы) мигрировать от катода к аноду через специальный раствор – его называют электролитом. Энергия в данном случае как бы «запасается» в химических связях.
Когда мы начинаем аккумулятор разряжать (например, сняли телефон с зарядки и пошли гулять), реакция «разворачивается на 180 градусов» - ионы начинают двигаться от анода к катоду, таким образом отдавая запасенную энергию. Эта энергия и используется для питания смартфона или любого другого гаджета.
Простая аналогия. Аккумулятор – это как губка, которая может впитывать и отдавать воду. Во время зарядки вы льете на эту губку воду, пропитываете ее. Разрядка – это когда вы выжимаете губку, то есть получаете из нее ту воду, которую накопили. Понятное дело, что это очень примерная аналогия.
Так вот, разные типы аккумуляторов – это как разные виды губок, в том смысле, что какие-то впитывают энергию быстро, какие-то – медленно. Какие-то большие по размеру, какие-то – маленькие. Какие-то рвутся спустя всего 500 «выжиманий», какие-то могут пережить несколько тысяч. Все эти особенности обусловлены типом аккумулятора, и вот теперь давайте про эти самые типы.
Свинцово-кислотные аккумуляторы
Вы точно видели их хотя бы раз в жизни, хотя бы потому, что они применяются в большинстве автомобилей. Они называются свинцово-кислотными потому, что используют пластины из свинца и его диоксида, а в качестве электролита – раствор серной кислоты. Скажем так, не самое приятное сочетание материалов.
Эти батареи достаточно дешевые, надежные, и главное – могут выдавать очень большие токи, поэтому их используют в стартовых аккумуляторах автомобилей, в мототехнике, а также в компьютерных ИБП.
Однако низкая удельная плотность энергии, большой вес и габариты, чувствительность к глубокому разряду и очень высокая токсичность компонентов в итоге привели к тому, что их применение в гаджетах практически невозможно (ну, разве что в ИБП).
Никель-кадмиевые аккумуляторы
Эти АКБ вы точно застали, во всяком случае, если вы не являетесь представителем поколения альфа. Как следует из названия, катод в таком аккумуляторе состоит из никеля, а анод – из кадмия. Применялись в огромном количестве техники и стали источником страшилки про «эффект памяти» аккумулятора. Хотя именно у никель-кадмиевых АКБ это явление действительно существовало.
Главный плюс таких батарей – хорошая (по тем временам) удельная плотность энергии, колоссальная долговечность (выдерживают крайне много циклов разряда и заряда), а еще они хорошо переносят низкие температуры.
Но и минусы у таких АКБ тоже были, как минимум – тот самый «эффект памяти». Если постоянно подзаряжать такой аккумулятор, не доводя его до полной разрядки, то со временем его емкость начнет снижаться до уровня подзарядки – АКБ как бы «запомнит» новый, меньший уровень емкости.
К тому же кадмий – крайне токсичный тяжелый металл, поэтому производство и утилизацию таких аккумуляторов приходилось довольно серьезно контролировать.
Никель-металлогидридные аккумуляторы
Не совсем отдельный вид, скорее, «модернизация» никель-кадмиевых АКБ. В таких аккумуляторах кадмий был заменен на сплав, поглощающий водород (металлгидрид), таким образом была решена проблема токсичности.
Побочным эффектом стало ослабление эффекта памяти (практически до нуля), а также небольшое увеличение емкости, правда, появилась новая особенность в лице саморазряда – даже без нагрузки такие аккумуляторы разряжались относительно быстро.
В общем, в «эру до лития» аккумуляторы были либо токсичными, либо со своими особенностями. Однако сейчас в большинстве электронных устройств применяются именно литиевые аккумуляторы.
Литиевые АКБ
Фишка лития – в том, что этот металл обладает очень высокой электрохимической активностью, при этом он же – один из самых легких металлов в принципе. Проще говоря, используя литий, мы научились создавать гораздо более плотные (в плане удельной плотности) аккумуляторы, но и тут, как говорится, не без нюансов.
Литий-ионные аккумуляторы
Это, пожалуй, самый распространенный тип АКБ в мире портативной электроники. Суть в том, что ионы лития мигрируют между катодом (как правило, на основе оксидов кобальта, марганца или никеля) и графитовым анодом. Такие АКБ применяются и сейчас – их ставили (и ставят) в большинство смартфонов, ноутбуков и даже в электроинструмент.
Такая популярность обусловлена очень высокой плотностью энергии (грубо говоря, как много энергии помещается в аккумуляторе относительно его размеров), а также минимальном, по факту – отсутствующем эффекте памяти.
Однако такие АКБ очень чувствительны к перегреву и перезаряду, поэтому требуют специальных контроллеров. Еще они не очень живучие, причем во всех смыслах – они быстро деградируют (как правило, уже после 500-100 циклов они теряют 20% своей паспортной емкости), а еще они могут стать причиной пожара или взрыва при физическом повреждении.
Литий-полимерные аккумуляторы
Это улучшенная версия литий-ионных АКБ. Главное новшество – использование электролита в виде геля или тонкой полимерной пленки (в литий-ионных АКБ он жидкий). Такая конструкция позволяет сделать АКБ компактным, поэтому такие аккумуляторы используются в большинстве современных смартфонов.
Им можно легко придать любую форму, они менее склонны к вздутиям и утечкам электролита, а еще они имеют чуть большую емкость, чем литий-ионные АКБ такого же размера, но удельная емкость у них чуть ниже (отношение количества запасаемой энергии к весу).
Однако такая технология производства дороже, и главное – эти АКБ еще хуже переносят механику. Если проколоть или сильно деформировать такой «пакет», он может воспламениться, а то и взорваться.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы
Относительно новый тип АКБ, который появился (в основном) благодаря электромобилям – мы ведь все тут взрослые и понимаем, что если в автомобиль (который потенциально может куда-то врезаться) установить большой литиевый аккумулятор (который очень бурно реагирует на механические воздействия), то это связано с определёнными рисками и требованиями к безопасности.
Поэтому сравнительно недавно был придуман новый тип литиевых АКБ, с упором на безопасность при механических воздействиях. Катод такого аккумулятора сделан из фосфата железа, и да, это решение довольно серьезно снижает емкость, по сравнению с литий-ионными и тем более – литий-полимерными АКБ.
Зато такие батареи устойчивы к перегреву, проколам и деформации, значительно снижен риск возгорания и взрыва. Также серьезно увеличился ресурс – такие батареи выдерживают тысячи циклов перезарядки с минимальной потерей емкости. В телефоны такие не ставят (во многом из-за небольшой удельной емкости), зато активно применяют в электромобилях, электросамокатах/велосипедах и в центрах хранения энергии.
Углеродные аккумуляторы
Параллельно с литиевыми не так давно начали развиваться и углеродные аккумуляторы. Так как технология молодая, встретить такой – еще надо умудриться. Впрочем, уже сейчас такие аккумуляторы устанавливают в отдельные модели техники.
Свинцово-углеродные аккумуляторы
Это гибридная технология, которая сочетает в себе элементы свинцово-кислотных аккумуляторов и суперконденсаторов. Если проще, то на аноде, помимо свинца, используется активированный уголь или графен.
Такие аккумуляторы очень долговечные – выдерживают несколько тысяч циклов перезарядки без потери емкости, кроме того, у них нет типичной проблемы свинцово-кислотных АКБ – образования сульфата свинца на электродах. Также такие аккумуляторы быстрее заряжаются и, самое главное, лучше переносят работу в режиме неполного заряда.
Да, в их составе все еще есть свинец, и да, как и свинцово-кислотные АКБ, свинцово-углеродные батареи тоже достаточно большие, поэтому их используют, как правило, в гибридных авто, либо в системах хранения энергии от возобновляемых источников, ну и в ИБП, само собой.
Натрий-ионные аккумуляторы
В таких АКБ в качестве носителя заряда используются ионы натрия (вместо ионов лития), а анод изготавливают из различных форм углерода. Такие аккумуляторы воспринимаются, скорее, как альтернатива литий-ионным батареям, причем альтернатива дешевая – натрий значительно более распространен, а значит, и дешев.
Такие АКБ безопаснее, чем литий-ионные. Они обычно не горят (во всяком случае, не так часто, как литий-ионные), стоят дешевле (потому что, как мы уже говорили, сам натрий дешевле лития) и неплохо работают при низких температурах.
Но при этом они имеют меньшую емкость, чем у литий-ионных аккумуляторов, а еще их типичный срок службы составляет 1000-2000 циклов – как у не самых крутых литий-ионных АКБ. Однако такие аккумуляторы успели засветиться в смартфонах, электромобилях и стационарных системах хранения энергии.
Итак, как вы уже, наверное, поняли, аккумуляторов человечество изобрело достаточно много, и это мы не касались отдельных подвидов и модификаций. Зато теперь вы знаете, как именно смартфон сохраняет энергию из розетки. Аккумуляторы, как и техника, прошли долгий путь, но продолжают развиваться и по сей день.