Звичайна сольова батарейка - один з наймасовіших електричних виробів XX століття.
Двадцяте століття безсумнівно можна назвати століттям електрики. За минуле століття змінилося як мінімум п'ять поколінь електронних компонентів. Але одна важлива деталь будь-якого портативного електричного пристрою існує в незмінному вигляді вже більше 120 років. Це звичайна батарейка.
З чого все почалося
Історія хімічних джерел струму почалася з дослідів італійського дослідника Луїджі Гальвані, який наприкінці XVIII століття виявив, що лапка мертвої жаби при дотику до неї металевим предметом скорочується. Незабаром на основі цих дослідів співвітчизник Гальвані Алессандро Вольта створив першу «батарейку» - ванну, наповнену розчином солі, з зануреними в неї мідним і цинковим електродами, а згодом - і знаменитий «вольтів стовп» - батарею з мідних і цинкових дисків з картонними прокладками, просоченими розчином солі або кислоти. Подібні елементи, як не дивно, використовувалися до недавніх пір, наприклад в рятувальних жилетах: батарея починала автоматично працювати при потраплянні в морську воду, яка грала роль електроліту. Ви і самі можете легко зробити батарейку, подібну до першого елементу Вольта, зі звичайного лимона. Для цього просто встроміть у лимон два цвяхи або шурупа - один сталевий, а інший мідний (латунь або інші метали теж підійдуть). Струм такого елемента досить малий, але напруга ви зможете легко виявити звичайним вольтметром.
Сучасні батарейки працюють в точності за тим же принципом, що і перший елемент Вольта. Два електроди з різних матеріалів опускаються в розчин, який називаються електролітом. За рахунок окислення одного матеріалу при взаємодії його з електролітом на цьому електроді утворюється надлишок електронів, і при замиканні електродів зовнішнім ланцюгом по ній починає текти електричний струм. Реакція, на якій працює батарейка, - незворотна, вона дає струм до тих пір, поки не прореагує весь запас речовин, закладених при виготовленні. У заряджуваних елементах - акумуляторах - реакція обратима (при зарядці реагенти повертаються до вихідного стану).
Довге життя сухого елемента
Батарейки Вольта через застосування рідкого електроліту були вкрай незручними в обігу, а запечатати їх герметично не вдавалося: при роботі всередині батарейки виділявся газ, якому треба було кудись виходити.
Тому справжню революцію справили так звані «сухі» елементи конструкції Карла Гасснера. У 1888 році Гасснер дуже вдало скомпонував два чужих винаходи: конструкцію елемента Тібо, де анодом і одночасно корпусом батареї служив цинковий стаканчик, і хімічну систему, винайдену Жоржем Лекланше в 1866 році.
Ці елементи, звані сьогодні сольовими, - одні з наймасовіших виробів (світове виробництво становить понад 20 мільярдів штук на рік), а їх конструкція практично не змінилася за 120 років з моменту винаходу. Завдяки невисокій ціні сольові батарейки використовуються повсюдно.
Ємність таких батарейок розміру АА становить близько однієї ампер-години. Але повністю реалізувати її можна тільки при невеликих струмах і при кімнатній температурі. При великих струмах електроліт в пористій структурі катода не встигає перемішуватися, через що перенесення іонів всередині батарейки сповільнюється, і незабаром батарейка перестає видавати необхідний струм. Це подолано, за умови якщо використовувати дві-три пари таких батарейок, змінюючи їх з інтервалом приблизно в одну-дві години. У цьому випадку батарейки «протягнуть» довше: за час «відпочинку» електроліт поступово перемішується, і його неоднорідності зникають.
Напис «High power» на деяких сольових батарейках означає, що в якості електроліту в них використовують чистий хлорид цинку замість суміші його з хлоридом амонію. Такі батарейки мають підвищену ємність при великих навантаженнях і при низьких температурах, проте обидва ці ефекти не дуже значні.
До 10 разів довше
А як же бути з обіцянкою роботи «до 10 разів довше»? Це зовсім інші батарейки, що лише зовні нагадують звичайні (сольові).
У 50-ті роки минулого століття, на тлі розквіту всілякої електронної техніки, споживачі зіткнулися з нестачею ємності батарейок. У 1959 році Лью Уррі, співробітник компанії Eveready (в той час - підрозділ компанії Union Carbide, зараз більше відома під маркою Energizer), створив у порожньому корпусі звичайної батарейки елемент з лужним електролітом.
Нові батарейки він встановив в іграшковий автомобіль, в іншу таку ж іграшку вставив звичайні сольові батарейки і, зловивши віце-президента компанії Eveready за технологіями Р.Л. Гловера в кафетерії заводу, запропонував йому поспостерігати за гонкою. "Автомобіль з лужними елементами вже кілька разів проїхав довжину кафетерія, в той час як другий ледве-ледве рухався - згадує сам Уррі. - Слух про гонку швидко рознісся по заводу, і народ висипав зі своїх лабораторій поглазіти на це видовище ".
Сучасні лужні елементи, природно, значно кращі, ніж ті прототипи, які зробив Уррі. Вони стоять дорожче сольових, але, незважаючи на це, з 1980-х років завойовують все більшу популярність. Зараз світовий попит на ці елементи становить понад 10 мільярдів штук на рік.
Батарейка навиворіт
Як же влаштована лужна батарейка? Матеріал катода і анода залишився колишнім, а ось конструкцію звичайної батарейки ніби вивернули навиворіт. Анод являє собою жоврідну суміш порошку цинку і лужного електроліту і відокремлений від катода поліефірною мембраною, яка дуже добре пропускає іони, так що електроліт легко перемішується. Завдяки цьому лужні батарейки володіють не тільки в два-три рази більшою номінальною ємністю, але і набагато краще працюють при великих навантаженнях.
Власне, саме при великому струмі споживання тести і показують істотне збільшення їх ємності порівняно з сольовими побратимами (ємність яких при великому навантаженні різко падає). Якщо ж споживаний струм невисокий, то купувати дорогі лужні батарейки немає сенсу. Наприклад, у годинах час роботи часто визначається не ємністю батарейки, а терміном її використання.
Про лужні батарейки ходить багато міфів. По-перше, в нашій країні часто лужні елементи неправильно називають «алкалиновими» (від англійської alkaline - клацання). По-друге, існує велика безліч лужних батарейок, що значно відрізняються за ціною. Розібратися нелегко. Як розповів «TechInsider» Євген Анісімов, технічний фахівець компанії AZ Batteries, безліч фірм-виробників побутової техніки замовляють на незалежних заводах партії лужних батарейок для продажу під своєю торговою маркою. Скажімо, через те, що батарейки Samsung або IKEA покликані в першу чергу рекламувати ці торгові марки, коштувати вони можуть істотно дешевше майже аналогічних батарейок такого батарейного гіганта, як Duracell. Вартість виробництва може відрізнятися на відсотки, а ціна часто - в рази, і знайому рекламу «зайця Duracell» оплачують в кінцевому рахунку покупці.
Існують і лужні батарейки, спеціально призначені для енергоємної цифрової техніки. Невеликі зміни рецептури, структури катода і стабілізуючих речовин дозволяють цим елементам довше працювати при високих струмах. Так, наприклад, батарейка GP Ultra Alkaline працює приблизно 40 хвилин при струмі в 1А, а «звичайна лужна» GP Super Alkaline - тільки 25. Водночас при меншому струмі і середньому навантаженні в 10 Ом друга показує навіть вищий результат - 18,5 годин проти 17 у першої. Але політика фірми така, що GP Ultra Alkaline випускаються на європейських заводах, і невелике збільшення ємності (в деяких режимах) призводить до підвищення ціни в півтора рази. Вважайте, що вигідніше!
Літієві елементи
Вершиною батарейної технології є літієві елементи. Дослідження, розпочаті в 1970-х, показали можливість створення елементів живлення з анодом з такого активного металу, як літій. Напруга такого елемента становить 2,7 В, і його вже достатньо, щоб розкладати воду на водень і кисень. Тому літієві батарейки не повинні містити води, і як електроліт застосовують розчин солей літію в органічному розчиннику. Крім усього іншого це дає таку серйозну перевагу, як «морозостійкість»: на відміну від водного електроліту лужних і сольових батарейок органічний не замерзає при 0оС, і батарейка продовжує працювати аж до -20оС.
Ще одна особливість - підвищена напруга: при використанні літієвого аноду навіть зі звичайним катодом з оксиду марганцю напруга елемента збільшується в цілих два рази. Це дуже добре, оскільки для харчування одного і того ж приладу літієвих елементів потрібно в два рази менше. Тільки що ж робити, якщо, навпаки, потрібна стандартна напруга (1,5 В)? «Розрізати» елемент на два з меншою напругою неможливо, все раз і назавжди визначається обраними речовинами. Здавалося б, виходу немає, але компанія Energizer подолала проблему, виготовивши 1,5-B літієві батарейки АА. При літієвому аноді єдиним виходом стала зміна катода - його зробили з піриту (дисульфіду заліза). Такі батарейки не дуже поширені через високу ціну, але вони мають своїх шанувальників завдяки невеликій вазі і здатності стійко працювати при негативних температурах.
Однак, незважаючи на всі досягнення в технологіях літієвих і лужних батарей, наймасовішими як і раніше залишаються (і ще багато років залишаться) сольові батарейки. Як і сто років тому.
