Интересные факты о батарейках
Современная цивилизация выстроена на способности хранить и переносить энергию в удобном виде. Без компактных источников питания не работали бы смартфоны, слуховые аппараты, кардиостимуляторы и сотни других устройств, которые мы давно воспринимаем как должное. Батарейка – один из тех предметов, что настолько прочно вошли в повседневную жизнь, что почти перестали привлекать к себе внимание. Между тем история этого изобретения насчитывает более двух столетий, а физика его работы куда интереснее, чем кажется на первый взгляд. В этой статье мы собрали для вас интересные и познавательные факты о батарейках.
Первую батарейку создал Алессандро Вольта в 1800 году из монет и солёной ткани
Итальянский учёный Алессандро Вольта сконструировал первый в истории химический источник тока, используя самые простые материалы: медные и цинковые диски, проложенные кусками ткани, пропитанными солёным раствором. Эту конструкцию назвали «вольтовым столбом» – она представляла собой стопку чередующихся металлических кружков высотой в несколько десятков сантиметров. Открытие произошло случайно: Вольта спорил со своим коллегой Луиджи Гальвани о природе электричества, которое тот наблюдал в лапках мёртвых лягушек. Опыты по опровержению «животного электричества» Гальвани привели к созданию устройства, изменившего историю науки. Единица электрического напряжения «вольт» носит имя именно этого учёного.
Батарейки теряют заряд даже в том случае, если их не использовать
Явление самостоятельного разряда знакомо каждому, кто находил в ящике стола давно забытый пульт с севшими элементами питания. Происходит это потому, что химические реакции внутри источника не прекращаются полностью даже в отсутствие внешней нагрузки: электролит медленно взаимодействует с электродами, постепенно расходуя запасённую энергию. Обычная щелочная батарейка типа АА теряет от 2 до 3 процентов заряда ежегодно при хранении в комнатных условиях. Литиевые элементы разряжаются значительно медленнее – порядка 1 процента в год, что объясняет их применение в устройствах, рассчитанных на длительное хранение: детекторах дыма, армейском снаряжении, космических аппаратах. Именно поэтому производители указывают на упаковке срок годности, а не срок службы.
Холод замедляет разряд батарейки, но не восстанавливает потерянный заряд
Расхожий совет «положить батарейку в холодильник, чтобы она зарядилась» – распространённое заблуждение. Низкая температура действительно замедляет химические реакции внутри элемента, что снижает скорость самостоятельного разряда при хранении. Однако уже разряженный источник питания от охлаждения не восстановится: холод лишь временно повышает напряжение на клеммах за счёт изменения электрохимического потенциала, и после возвращения к комнатной температуре устройство снова откажет. Практически полезный вывод из этого свойства другой: новые батарейки лучше хранить в прохладном месте – это продлевает срок годности. Фотографы на зимних съёмках носят запасные элементы в нагрудном кармане, чтобы согреть их теплом тела перед установкой в камеру.
Батарейка типа «крона» состоит из шести последовательно соединённых элементов
Характерный прямоугольный корпус с двумя контактами на одном торце скрывает внутри не один химический элемент, а целых шесть. Каждый из них даёт напряжение около 1,5 вольта, и при последовательном соединении суммарное напряжение достигает 9 вольт – именно столько требуется для питания радиоприёмников, дымовых датчиков и ряда музыкальных педалей. Такая конструкция является вынужденным решением: создать один электрохимический элемент с напряжением 9 вольт на стандартных реагентах крайне затруднительно, поскольку напряжение определяется природой химической пары, а не размером элемента. Именно поэтому «крона» при равном с батарейкой АА объёме весит примерно столько же, но стоит дороже. При разборке старой «кроны» внутри можно обнаружить шесть миниатюрных цилиндрических ячеек, уложенных в ряд.
Одна пальчиковая батарейка способна загрязнить около 20 квадратных метров почвы
Внутри стандартного щелочного элемента содержится диоксид марганца, гидроксид калия и цинк – вещества, которые при попадании в грунт нарушают его химический состав и угнетают почвенные микроорганизмы. Особую опасность представляли элементы питания прошлых десятилетий, содержавшие ртуть и кадмий: один такой источник мог отравить несколько кубометров грунтовых вод. Современные щелочные батарейки производятся без ртути и формально считаются менее токсичными, однако их массовое захоронение на обычных полигонах всё равно накапливает тяжёлые металлы в окружающей среде. В Европейском союзе сбор отработанных элементов питания является обязательным, а производители обязаны финансировать их переработку. В России раздельный сбор батареек постепенно развивается, хотя процент реально утилизируемых элементов остаётся невысоким.
Литий-ионные аккумуляторы деградируют не от числа зарядок, а от глубины разряда
Широко распространено мнение, что аккумулятор смартфона рассчитан на определённое число циклов зарядки, после чего его нужно менять. Это верно лишь отчасти: производители обычно гарантируют сохранение 80 процентов ёмкости после 300–500 полных циклов, но «полный цикл» – это разряд от 100 до 0 процентов. Регулярные частичные зарядки – например, с 40 до 80 процентов – изнашивают ячейку значительно медленнее, чем полный разряд. Именно поэтому специалисты рекомендуют не доводить смартфон до нуля и не держать постоянно на 100 процентах: оба крайних состояния создают повышенное механическое напряжение в кристаллической решётке электродов. Производители электромобилей учитывают эту закономерность, программно ограничивая диапазон зарядки до 20–80 процентов для продления ресурса тяговых батарей.
Существуют батарейки, работающие на основе радиоактивного распада, со сроком службы 25 лет
Ядерные батарейки – или, точнее, радиоизотопные генераторы малой мощности – используют тепло, выделяемое при распаде радиоактивных изотопов, и преобразуют его в электричество через термопары. Наиболее известный вариант гражданского применения – «атомные» кардиостимуляторы, которые массово имплантировали пациентам в 1970–80-е годы: их источником служил плутоний-238, обеспечивавший работу прибора на протяжении 10–20 лет без замены. Сегодня эту технологию применяют преимущественно в космосе: марсоходы «Кьюриосити» и «Персеверанс» питаются именно от подобных генераторов, поскольку солнечного света на поверхности Марса недостаточно для надёжной работы панелей. Мощность таких источников невелика – десятки ватт, – однако стабильность и долговечность делают их незаменимыми там, где замена питания физически невозможна. Разрабатываются также «алмазные батарейки» на основе радиоактивного углерода-14 со сроком службы в тысячи лет.
Самая маленькая батарейка в мире меньше рисового зерна
Миниатюризация источников питания стала одним из ключевых направлений современной электроники. Швейцарские исследователи из Высшей технической школы Цюриха разработали литий-ионный аккумулятор объёмом около одного кубического миллиметра – он предназначен для имплантируемых медицинских сенсоров, которые должны непрерывно мониторить давление внутри глаза при глаукоме. Японская компания «Муrata» производит серийные элементы размером 3,5 на 2,5 миллиметра, которые используются в слуховых аппаратах нового поколения и миниатюрных беспроводных датчиках. Принципиальная сложность уменьшения батарейки состоит в том, что ёмкость прямо пропорциональна количеству активного вещества: чем меньше элемент, тем короче время его работы. Инженеры решают это противоречие, снижая энергопотребление самих устройств до долей микроватта.
Лимон, картофель и монеты действительно могут работать как батарейка
Школьный опыт с воткнутыми в лимон медным и цинковым электродами – не просто демонстрационный трюк, а настоящий электрохимический элемент. Кислота цитрусового плода выступает электролитом, а разность химических потенциалов двух металлов создаёт напряжение около 0,9 вольта. Несколько последовательно соединённых лимонов дают достаточно тока, чтобы зажечь светодиод или заставить работать цифровые часы. Аналогично работает картофель: содержащаяся в нём фосфорная кислота обеспечивает ту же функцию электролита. В 2010 году исследователи из Еврейского университета Иерусалима показали, что варёный картофель генерирует в десять раз больше энергии, чем сырой, – это открыло перспективы для создания дешёвых источников питания в регионах без электросети. Принцип работы при этом абсолютно тот же, что и в промышленных химических элементах, – разница лишь в концентрации реагентов и их долговечности.
Батарейка прошла путь от кустарного столба из монет до ядерных генераторов и наноразмерных ячеек за два с небольшим столетия – темп, сопоставимый разве что с развитием вычислительной техники. Сегодня человечество стоит перед задачей не только улучшить характеристики накопителей энергии, но и выстроить разумную систему их утилизации. Будущее транспорта, возобновляемой энергетики и портативной электроники во многом определяется именно прорывами в области хранения энергии. Тот, кто создаст принципиально новый тип источника питания, изменит облик технологической цивилизации не меньше, чем Вольта изменил его своим столбом из солёной ткани и металлических дисков.
