За двумя зайцами: Эта музыка будет вечной

История химических источников тока началась с опытов итальянского исследователя Луиджи Гальвани, который в конце XVIII века обнаружил, что лапка мертвой лягушки при прикосновении к ней металлическим предметом сокращается. Вскоре на основе этих опытов соотечественник Гальвани Алессандро Вольта создал первую «батарейку» — ванну, наполненную раствором соли, с погруженными в нее медным и цинковым электродами, а впоследствии — и знаменитый «вольтов столб» — батарею из медных и цинковых дисков с картонными прокладками, пропитанными раствором соли или кислоты. Подобные элементы, как ни удивительно, использовались до недавних пор, например в спасательных жилетах: батарея начинала автоматически работать при попадании в морскую воду, которая играла роль электролита. Вы и сами можете легко сделать батарейку, подобную первому элементу Вольта, из обычного лимона. Для этого просто воткните в лимон два гвоздя или шурупа — один стальной, а другой медный (латунь или другие металлы тоже подойдут). Ток такого элемента весьма мал, но напряжение вы сможете легко обнаружить обычным вольтметром.

Современные батарейки работают в точности по тому же принципу, что и первый элемент Вольта. Два электрода из разных материалов опускаются в раствор, который называются электролитом. За счет окисления одного материала при взаимодействии его с электролитом на этом электроде образуется избыток электронов, и при замыкании электродов внешней цепью по ней начинает течь электрический ток. Реакция, на которой работает батарейка, — необратимая, она дает ток до тех пор, пока не прореагирует весь запас веществ, заложенных при изготовлении. В заряжаемых элементах — аккумуляторах — реакция обратима (при зарядке реагенты возвращаются к исходному состоянию).

Батарейки Вольта из-за применения жидкого электролита были крайне неудобными в обращении, а запечатать их герметично не удавалось: при работе внутри батарейки выделялся газ, которому надо было куда-то выходить.

Поэтому настоящую революцию произвели так называемые «сухие» элементы конструкции Карла Гасснера. В 1888 году Гасснер очень удачно скомпоновал два чужих изобретения: конструкцию элемента Тибо, где анодом и одновременно корпусом батареи служил цинковый стаканчик, и химическую систему, изобретенную Жоржем Лекланше в 1866 году.

Эти элементы, называемые сегодня солевыми, — одни из самых массовых изделий (мировое производство составляет больше 20 миллиардов штук в год), а их конструкция практически не изменилась за 120 лет с момента изобретения. Благодаря невысокой цене солевые батарейки используются повсеместно.

Емкость таких батареек размера АА составляет около одного ампер-часа. Но полностью реализовать ее можно только при небольших токах и при комнатной температуре. При больших токах электролит в пористой структуре катода не успевает перемешиваться, из-за чего перенос ионов внутри батарейки замедляется, и вскоре батарейка перестает выдавать требуемый ток. Это преодолимо, при условии если использовать две-три пары таких батареек, меняя их с интервалом примерно в один-два часа. В этом случае батарейки «протянут» подольше: за время «отдыха» электролит постепенно перемешивается, и его неоднородности исчезают.

Надпись «High power» на некоторых солевых батарейках означает, что в качестве электролита в них используют чистый хлорид цинка вместо смеси его с хлоридом аммония. Такие батарейки обладают повышенной емкостью при больших нагрузках и при низких температурах, однако оба эти эффекта не слишком значительны.

А как же быть с обещанием работы «до 10 раз дольше»? Это совершенно другие батарейки, лишь внешне напоминающие обычные (солевые).

В 50-е годы прошлого века, на фоне расцвета всевозможной электронной техники, потребители столкнулись с недостатком емкости батареек. В 1959 году Лью Урри, сотрудник компании Eveready (в то время — подразделение компании Union Carbide, сейчас больше известна под маркой Energizer), создал в пустом корпусе обычной батарейки элемент со щелочным электролитом.

Новые батарейки он установил в игрушечный автомобиль, в другую такую же игрушку вставил обычные солевые батарейки и, поймав вице-президента компании Eveready по технологиям Р.Л. Гловера в кафетерии завода, предложил ему понаблюдать за гонкой. «Автомобиль со щелочными элементами уже несколько раз проехал длину кафетерия, в то время как второй еле-еле двигался — вспоминает сам Урри. — Слух о гонке быстро разнесся по заводу, и народ высыпал из своих лабораторий поглазеть на это зрелище».

Современные щелочные элементы, естественно, значительно лучше, чем те прототипы, которые сделал Урри. Они стОят дороже солевых, но, несмотря на это, с 1980-х годов завоевывают все большую популярность. Сейчас мировой спрос на эти элементы составляет больше 10 миллиардов штук в год.

Как же устроена щелочная батарейка? Материал катода и анода остался прежним, а вот конструкцию обычной батарейки будто вывернули наизнанку. Анод представляет собой желеобразную смесь порошка цинка и щелочного электролита и отделен от катода полиэфирной мембраной, которая очень хорошо пропускает ионы, так что электролит легко перемешивается. Благодаря этому щелочные батарейки обладают не только в два-три раза большей номинальной емкостью, но и гораздо лучше работают при больших нагрузках.

Собственно, именно при большом токе потребления тесты и показывают существенное увеличение их емкости по сравнению с солевыми собратьями (емкость которых при большой нагрузке резко падает). Если же потребляемый ток невысок, то покупать дорогие щелочные батарейки нет смысла. Например, в часах время работы зачастую определяется не емкостью батарейки, а сроком ее использования.

О щелочных батарейках ходит много мифов. Во-первых, в нашей стране часто щелочные элементы неправильно называют «алкалиновыми» (от английского alkaline — щелочь). Во-вторых, существует великое множество щелочных батареек, значительно различающихся по цене. Разобраться нелегко. Как рассказал «TechInsider» Евгений Анисимов, технический специалист компании AZ Batteries, множество фирм-производителей бытовой техники заказывают на независимых заводах партии щелочных батареек для продажи под своей торговой маркой. Скажем, из-за того, что батарейки Samsung или IKEA призваны в первую очередь рекламировать эти торговые марки, стоить они могут существенно дешевле почти аналогичных батареек такого батарейного гиганта, как Duracell. Стоимость производства может отличаться на проценты, а цена зачастую — в разы, и знакомую рекламу «зайца Duracell» оплачивают в конечном счете покупатели.

Существуют и щелочные батарейки, специально предназначенные для энергоемкой цифровой техники. Небольшие изменения рецептуры, структуры катода и стабилизирующих веществ позволяют этим элементам дольше работать при высоких токах. Так, например, батарейка GP Ultra Alkaline работает примерно 40 минут при токе в 1А, а «обычная щелочная» GP Super Alkaline — только 25. В то же время при меньшем токе и средней нагрузке в 10 Ом вторая показывает даже более высокий результат — 18,5 часов против 17 у первой. Но политика фирмы такова, что GP Ultra Alkaline выпускаются на европейских заводах, и небольшое увеличение емкости (в некоторых режимах) приводит к повышению цены в полтора раза. Считайте, что выгоднее!

Вершиной батарейной технологии являются литиевые элементы. Исследования, начатые в 1970-х, показали возможность создания элементов питания с анодом из столь активного металла, как литий. Напряжение такого элемента составляет 2,7 В, и его уже достаточно, чтобы разлагать воду на водород и кислород. Поэтому литиевые батарейки не должны содержать воды, и в качестве электролита применяют раствор солей лития в органическом растворителе. Кроме всего прочего это дает такое серьезное преимущество, как «морозоустойчивость»: в отличие от водного электролита щелочных и солевых батареек органический не замерзает при 0oС, и батарейка продолжает работать вплоть до -20oС.

Еще одна особенность — повышенное напряжение: при использовании литиевого анода даже с обычным катодом из оксида марганца напряжение элемента увеличивается в целых два раза. Это очень хорошо, поскольку для питания одного и того же прибора литиевых элементов требуется в два раза меньше. Только что же делать, если, наоборот, нужно стандартное напряжение (1,5 В)? «Разрезать» элемент на два с меньшим напряжением невозможно, все раз и навсегда определяется выбранными веществами. Казалось бы, выхода нет, но компания Energizer преодолела проблему, изготовив 1,5-B литиевые батарейки АА. При литиевом аноде единственным выходом стала смена катода — его сделали из пирита (дисульфида железа). Такие батарейки не слишком распространены из-за высокой цены, но они имеют своих поклонников благодаря небольшому весу и способности устойчиво работать при отрицательных температурах.

Однако, несмотря на все достижения в технологиях литиевых и щелочных батарей, самыми массовыми по-прежнему остаются (и еще много лет останутся) солевые батарейки. Как и сто лет назад.