Обычная батарейка, или первичный источник тока, создана для одноразового применения. Химические реакции внутри нее необратимы: выработав энергию, элемент становится бесполезным и подлежит утилизации. Аккумулятор представляет собой вторичный источник тока. Происходящие в нем процессы обратимы, что дает возможность с помощью зарядного устройства снова и снова возвращать его к жизни – заряжать и разряжать много раз подряд.
Именно это фундаментальное свойство определяет все остальные параметры: стоимость, конструкцию, материалы, сферу использования. Понимание данных нюансов поможет не только сделать правильный выбор в магазине, но и грамотно пользоваться приборами, увеличивая срок их службы.
В основе любого гальванического элемента (батарейка) лежит электрохимическая ячейка, преобразующая химическую энергию в электричество. И батарейка, и аккумулятор конструктивно содержат анод, катод и электролит. Разница состоит в применяемых материалах и характере протекающих процессов.
В стандартной щелочной батарейке анод изготовлен из цинка, катод – из диоксида марганца, а в качестве электролита выступает щелочной раствор, обычно гидроксид калия. При замыкании цепи цинк окисляется, высвобождая электроны, которые по внешней цепи движутся к диоксиду марганца. Эти реакции направлены на максимальную единовременную отдачу энергии и долгий срок хранения, но они необратимы. Попытка пропустить ток в обратную сторону для «реанимации» батарейки не вернет исходные материалы, а может вызвать перегрев, протекание электролита или даже взрыв. На корпусе таких элементов часто можно увидеть предупреждение «Не перезаряжать».
В аккумуляторах применяются иные материалы и более сложная конструкция, рассчитанная на циклическую работу. К примеру, в популярных никель-металлгидридных элементах анод выполнен из сплава, поглощающего водород, а катод – из оксида никеля. В литий-ионных аккумуляторах катод представляет собой оксид лития с кобальтом или марганцем, а анод – графит. При разряде ионы лития перемещаются через электролит от анода к катоду, а при заряде – в обратном направлении. Электроды и сепараторы в аккумуляторах сконструированы так, чтобы выдерживать многократное изменение объема материалов в ходе этих циклов, чего не предусмотрено в одноразовых батарейках.
Стоит обратить внимание и на терминологическую сторону. Слово «батарея» изначально означает соединение нескольких одинаковых элементов в общую цепь для повышения общего напряжения или емкости. Так, автомобильный аккумулятор на 12 вольт – это фактически аккумуляторная батарея, состоящая из шести последовательно соединенных свинцово-кислотных элементов по 2 вольта каждый. А компактная литий-полимерная батарея в мобильном телефоне может представлять собой один элемент. Поэтому в профессиональной среде корректнее говорить «первичный элемент» и «вторичный элемент» или «аккумулятор».
Зачем производят батарейки, если аккумуляторы служат дольше?
Закономерно возникает вопрос: если аккумуляторы служат в сотни раз дольше, зачем в мире продолжают производить миллиарды одноразовых батареек? Ответ заключается в фундаментальных эксплуатационных преимуществах первичных элементов, которые делают их незаменимыми в определенных сферах. Главное достоинство батарейки – это ее готовность к работе с момента покупки.
Ее не нужно заряжать перед первым использованием, она имеет чрезвычайно низкий саморазряд и может сохранять заряд годами, теряя всего 2-3% в год при идеальных условиях. Это делает ее идеальным решением для резервных и аварийных систем: пожарных и газовых датчиков, медицинских устройств типа кардиостимуляторов и прочих.
Аккумулятор же требует регулярного обслуживания, периодической подзарядки даже в простое и более чувствителен к перепадам температур при длительном хранении. Кроме того, для многих простых и дешевых устройств – одноразовых фонариков, электронных открыток, детских игрушек – установка дорогого аккумуляторного отсека и зарядной схемы экономически нецелесообразна и удорожает устройство. Иногда нужен именно одноразовый, легкий и дешевый источник энергии, а не многоразовая система.
Одно из самых заметных для потребителя отличий – это рабочее напряжение. Обычная щелочная или солевая батарейка типоразмера АА или ААА в полностью заряженном состоянии дает 1.5 вольта. Данное напряжение остается относительно постоянным на протяжении большей части разряда, а затем резко снижается, указывая на полное истощение элемента.
У большинства аккумуляторов стандартных форматов номинальное напряжение ниже. Никель-металлгидридные и никель-кадмиевые элементы обеспечивают примерно 1.2 вольта. Это не дефект, а особенность электрохимической системы. Многие современные приборы, рассчитанные на работу как от батареек, так и от аккумуляторов, разработаны с учетом этой разницы и хорошо функционируют в широком диапазоне напряжений. Но существуют и исключения: некоторые старые или особо чувствительные устройства, например, отдельные модели фотокамер или измерительных приборов, могут работать некорректно при пониженном напряжении, считая аккумулятор почти севшим, даже когда он еще полон энергии.
Совершенно другая картина с литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами. Один такой элемент имеет напряжение около 3.6–3.7 вольта, что более чем в два раза выше, чем у Ni-MH. По этой причине они редко встречаются в форматах, заменяющих привычные «пальчиковые» батарейки. Зато они незаменимы в ноутбуках, смартфонах, электроинструменте и электромобилях, где для получения необходимого напряжения их собирают в последовательные батареи.
Емкость – второй ключевой параметр, измеряемый в миллиампер-часах или ватт-часах. Емкость в мАч показывает, какой заряд способен отдать элемент, и эта величина зависит от напряжения. Более объективным показателем является емкость в Вт·ч, которая отражает запасенную энергию независимо от напряжения. У одноразовой щелочной батарейки АА начальная емкость может доходить до 2000–3000 мАч. У аккумулятора того же типоразмера емкость часто ниже, например, 1800–2500 мАч для Ni-MH. На первый взгляд может показаться, что батарейка выгоднее. Но здесь в игру вступает главное преимущество аккумулятора – возможность многократного применения. Один аккумулятор, выдерживающий 500 циклов заряд-разряд, суммарно отдаст энергии в сотни раз больше, чем 500 одноразовых батареек, хотя и потребует периодической подзарядки.
Дисковые аккумуляторы в СССР
Отдельную страницу в истории портативной энергетики занимают дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы, широко распространенные в Советском Союзе. В условиях тотального дефицита и скромного выбора бытовой электроники они стали настоящей палочкой-выручалочкой для радиолюбителей, инженеров и домашних мастеров.
Эти аккумуляторы, часто обозначавшиеся как Д-0.26, Д-0.55 и подобные, где цифра указывала на емкость, имели характерную плоскую форму и напряжение 1.2 вольта. Их активно применяли в самой разной технике. Главными достоинствами были доступность, возможность многократной перезарядки и достаточно высокая для своего времени надежность. В тематических форумах до сих пор можно встретить воспоминания о том, как старые советские аккумуляторы, выпущенные в 1980-х годах, продолжали работать спустя десятилетия.
Но настоящий культ дисковых аккумуляторов сформировался в среде радиолюбителей и умельцев. Из них собирали блоки питания для самой разнообразной аппаратуры. Комбинируя элементы последовательно и параллельно, можно было получить практически любое нужное напряжение и емкость.
Эти аккумуляторы были далеки от идеала: им был свойственен «эффект памяти», а содержащийся в них кадмий делал их опасными для окружающей среды при неправильной утилизации. Но в свою эпоху они были технологическим чудом, позволившим целому поколению техников и инженеров творить, изобретать и оставаться на связи, заложив основу для будущего развития отечественной электроники.
Поставим лайк батарейкам и аккумуляторам?
Можно почитать: