История и современность батареек для гаджетов

Практически каждый цивилизованный житель сегодня имеет устройство, для работы которого требуются аккумуляторы или батарейки: телевизионный пульт, настенные часы, сотовый телефон или фотоаппарат. Все эти гаджеты стали настолько обыденными, что никто уже не пытается вникнуть в суть функционирования их элементов питания, а между тем, с момента изобретения прототипа современной батарейки миновало уже больше двух столетий.

Прежде чем рассказать историю изобретения батареек, хочу заметить, что в нашем магазине появились батарейки PӃCELL двух видов: Ultra Alkaline и Extra Heavy duty типов АА и ААА.

Рисунок 1: Типы и виды батареек нового поступления

Понятно, что тип или размер выбираемых батареек зависит от формы и размера ячеек в оборудовании, для которого они покупаются, но на вид мало кто обращает внимание, а это очень важно.

Очень часто на элементах питания можно встретить разные яркие заголовки! Одним из таких является Extra heavy duty. Эта надпись означает в переводе с английского «расширенно сверхмощный». Когда-то давно это соответствовало действительности. Так было пока рынок не заполнили солевые дешевые источники энергии. Данное словосочетание стали использовать для приманки потребителей.

По сути Extra heavy duty означает, что батарейку можно использовать в суровых условиях. Например, при сильном летнем зное или в холодных зимних сибирских условиях. К тому же они отдают больше тока, чем обычные. И способны проработать дольше. Их внутреннее сопротивление позволяет выносить нагрузку большого тока. То есть, они должны быть хороши для фотовспышки, для работы электродвигателей бритв или управляемых игрушек, для портативного фонарика с мощной лампой.

Алкалиновую (щелочную) батарейку относят к марганцево-цинковому источнику питания. Реакция, необходимая для генерирования электричества, создаётся за счёт щелочного электролита. Алкалиновые батарейки (на их корпусе часто можно обнаружить надпись alkaline с любым усиливающим прилагательным впереди) нашли широкое применение в устройствах, потребляющих малое количество энергии, например, в часах-будильниках, пультах от телевизора или электрической зубной щётке.

Но в реальности сейчас всё не так. Ведь развитие идёт не по пути улучшения, а по пути удешевления применяемых технологий. Поэтому оказывается, что разновидные батарейки сближаются по возможностям обеспечения коротко большим током и длительно – малым.

Выбор типа батареек напрямую связан с устройством прибора, где они будут использоваться. А эти устройства просто изображаются на этикетках батареек.

Рисунок 2: Применимость видов батареек PӃCELL

Ну а теперь обещанная история, которая поведает, когда была изобретена Батарейка?

Одним из самых замечательных и новых открытий за последние 400 лет стало электричество. Мы могли бы спросить: “Неужели электричество существует так давно?”. Ответ - да, и, возможно, гораздо дольше, но его практическое использование было в нашем распоряжении только с середины - конца 1800-х годов, и поначалу в ограниченном объеме. Одной из первых общественных работ, привлекших к себе внимание, было освещение 250 000 лампочек на Всемирной колумбийской выставке 1893 года в Чикаго и освещение моста через реку Сену во время Всемирной выставки 1900 года в Париже.

В использовании электричества можно вернуться еще дальше в историю. Во время строительства железной дороги в 1936 году недалеко от Багдада рабочие обнаружили то, что оказалось доисторической батареей, также известной как Парфянская батарея. Объект датируется парфянским периодом, и считается, что ему 2000 лет. Батарея состояла из глиняного сосуда, наполненного уксусным раствором, в который был вставлен железный стержень, окруженный медным цилиндром. Это устройство вырабатывало от 1.1 до 2.0 вольт электроэнергии. На рисунке 3 показана Парфянская батарея.

Рисунок 3: Парфянская батарея. Глиняный сосуд с доисторической батареей содержит железный стержень, окруженный медным цилиндром. При заполнении уксусом или раствором электролита банка выдает напряжение от 1.1 до 2 вольт.

Не все ученые принимают Парфянскую батарею в качестве источника энергии. Вполне возможно, что устройство использовалось для гальванизации, такой как нанесение на поверхность слоя золота или других драгоценных металлов говорят, что египтяне нанесли гальваническое покрытие из сурьмы на медь более 4300 лет назад. Археологические данные свидетельствуют о том, что вавилоняне были первыми, кто открыл и применил гальваническую технологию в производстве ювелирных изделий, используя электролит на основе виноградного сока для золочения керамической посуды. Парфяне, правившие Багдадом (ок. 250 г. до н.э.), возможно, использовали батарейки для гальванопокрытия серебра.

Рисунок 4: Электрическая машина Отто фон Герике

Одним из самых ранних способов выработки электроэнергии в наше время было создание статического заряда. В 1660 году Отто фон Герике из Магдебурга сконструировал электрическую машину, используя большой серный шар, который при трении и вращении притягивал перья и маленькие кусочки бумаги. Герике смог доказать, что генерируемые искры имели электрическую природу.

Первым практическим применением статического электричества стал “электрический пистолет”, изобретенный Алессандро Вольтой (1745-1827). Он думал о том, чтобы обеспечить междугороднюю связь, хотя и только одним логическим битом. Железная проволока, поддерживаемая деревянными столбами, должна была быть протянута от Комо до Милана, Италия. На приемном конце проволока заканчивалась бы в банке, наполненной газообразным метаном. Чтобы сигнализировать о закодированном событии, по проводу будет послана электрическая искра с целью детонации электрического пистолета. Эта линия связи так и не была построена. На рис. 5 показан карандашный рисунок Алессандро Вольты.

Рисунок 5: Алессандро Вольта, изобретатель электрической батареи

Открытие Вольтой разложения воды электрическим током заложило основы электрохимии.

В 1791 году, работая в Болонском университете, Луиджи Гальвани обнаружил, что мышцы лягушки сокращаются при прикосновении к металлическому предмету. Это явление стало известно, как животное электричество. Вдохновленный этими экспериментами, Вольта инициировал серию экспериментов с использованием цинка, свинца, олова и железа в качестве положительных пластин (катод); и меди, серебра, золота и графита в качестве отрицательных пластин (анод). Интерес к гальваническому электричеству вскоре стал широко распространенным.

В 1800 году Вольта обнаружил, что некоторые жидкости будут генерировать непрерывный поток электрической энергии при использовании в качестве проводника. Это открытие привело к изобретению первого гальванического элемента, более известного как аккумулятор.

Рисунок 6: Аккумуляторная батарея Volta — «Вольтов столб»

Вольта также обнаружил, что напряжение будет увеличиваться, когда гальванические элементы будут уложены друг на друга. На рисунке 7 показано такое последовательное соединение.

Рисунок 7: Четыре варианта электрической батареи Volta

Металлы в батарее оказывают различное электрическое воздействие. Вольта заметил, что потенциал напряжения у разнородных веществ становился сильнее, чем дальше они были друг от друга.

Первое число в металлах, перечисленных ниже, - это сродство к притяжению электронов; второе - стандартный потенциал от первой степени окисления.

Цинк = 1.6 / -0.76 В

Свинец = 1.9 / -0.13 В

Олово = 1.8 / -1.07 В

Железо = 1.8 / -0.04 В

Медь = 1.9 / 0.159 В

Серебро = 1.9 / 1.98 В

Золото = 2.4 / 1.83 В

Углерод = 2.5 / 0.13 В.

Металлы определяют напряжение батареи; они были разделены влажной бумагой, пропитанной соленой водой.

В том же году Вольта сообщил о своем открытии непрерывного источника электричества Лондонскому королевскому обществу. Эксперименты больше не ограничивались кратковременным появлением искр, длившихся доли секунды. Бесконечный поток электрического тока теперь казался возможным.

Франция была одной из первых стран, официально признавших открытия Вольты. Это было в то время, когда Франция приближалась к пику научных достижений, и новые идеи встречались с распростертыми объятиями, помогая поддерживать политическую повестку дня страны. По приглашению Вольта выступил в Институте Франции с серией лекций, на которых в качестве члена института присутствовал Наполеон Бонапарт (см. рисунок 8).

Рисунок 8: Эксперименты Вольты в Институте Франции

Открытия Вольты настолько поразили мир, что в ноябре 1800 года Французский национальный институт пригласил его читать лекции на мероприятиях, в которых участвовал Наполеон Бонапарт. Наполеон помогал в экспериментах, извлекая искры из батареи, расплавляя стальную проволоку, разряжая электрический пистолет и разлагая воду на ее элементы.

В 1800 году сэр Хамфри Дэви, изобретатель шахтерской защитной лампы, начал испытывать химическое воздействие электричества и обнаружил, что при прохождении электрического тока через вещества происходит разложение. Позже этот процесс был назван электролизом. Он сделал новые открытия, установив самую большую и мощную в мире электрическую батарею в хранилищах Лондонского королевского института. Подключение батареи к угольным электродам дало первый электрический свет. Свидетели сообщили, что его вольтова дуговая лампа создавала “самую яркую восходящую дугу света, которую когда-либо видели”.

1802 году Уильям Крукшенк разработал первую электрическую батарею для массового производства. Круикшенк расположил квадратные листы меди с равными по размеру листами цинка. Эти листы были помещены в длинную прямоугольную деревянную коробку и спаяны вместе. Канавки в коробке удерживали металлические пластины на месте, а затем герметичная коробка заполнялась электролитом из рассола или разбавленной кислоты. Это напоминало заливную батарею, которая все еще с нами сегодня. На рисунке 9 показан аккумуляторный цех компании Cruickshank.

Рисунок 9: Крукшенк и первая затопленная батарея.

Преимущество этой заливной конструкции заключалось в том, что она не высыхала при использовании и обеспечивала больше энергии, чем дисковая компоновка Volta.

В 1836 году английский химик Джон Ф. Дэниелл разработал усовершенствованную батарею, которая давала более стабильный ток, чем более ранние устройства. До этого времени все аккумуляторы были первичными, что означало, что их нельзя было подзарядить. В 1859 году французский физик Гастон Планте изобрел первую аккумуляторную батарею. Он был основан на свинцовой кислоте, системе, которая используется до сих пор.

Рисунок 10: 1849 год, Джон Фредерик Дэниелл и Майкл Фарадей | Ячейка Даниэля: в сборе и подетально

В 1899 году Вальдмар Юнгнер из Швеции изобрел никель-кадмиевую батарею (NiCd), в которой в качестве положительного электрода (катода) использовался никель, а в качестве отрицательного (анода) - кадмий. Высокие материальные затраты по сравнению со свинцовой кислотой ограничили ее использование, и два года спустя Томас Эдисон создал альтернативную конструкцию, заменив кадмий железом. Низкая удельная энергия, низкая производительность при низкой температуре и высокий саморазряд ограничили успех никель-железного аккумулятора. Только в 1932 году Шлехт и Аккерман добились более высоких токов нагрузки и повысили долговечность NiCd, изобретя технологию прессованного анода. В 1947 году Георгу Нойманну удалось запечатать камеру.

В течение многих лет NiCd был единственной перезаряжаемой батареей для портативных устройств. В 1990-х годах защитники окружающей среды в Европе забеспокоились о загрязнении окружающей среды в случае небрежной утилизации никель-металлогидридных аккумуляторов; они начали ограничивать использование этого химического вещества и попросили потребительскую промышленность перейти на никель-металлогидридный (NiMH), более экологичный аккумулятор. NiMH похож на NiCd, и многие утверждают, что NiMH стал ступенькой к более долговечному литий-ионному (Li-ion).

Большинство исследовательских работ сегодня вращаются вокруг совершенствования систем на основе лития. Помимо питания сотовых телефонов, ноутбуков, цифровых фотоаппаратов, электроинструментов и медицинских приборов, литий-ионный аккумулятор также используется для электромобилей. Аккумулятор обладает рядом преимуществ, в первую очередь высокой удельной энергией, простотой зарядки, низкими затратами на техническое обслуживание и экологичностью.

Открытие того, как генерировать электричество с помощью магнетизма, произошло относительно поздно. В 1820 году Андре-Мари Ампер (1775-1836) заметил, что провода, по которым проходит электрический ток, иногда притягиваются, а иногда отталкиваются друг от друга. В 1831 году Майкл Фарадей (1791-1867) продемонстрировал, как медный диск обеспечивает постоянный поток электричества, вращаясь в сильном магнитном поле. Фарадею, помогавшему Дэви и его исследовательской группе, удалось генерировать бесконечную электрическую силу до тех пор, пока продолжалось движение между катушкой и магнитом. Это привело к изобретению электрогенератора, и обращение процесса вспять позволило запустить электродвигатель. Вскоре после этого были разработаны трансформаторы, которые преобразовывали переменный ток (переменный ток) в любое желаемое напряжение. В 1833 году Фарадей заложил основы электрохимии, на которых основан закон Фарадея. Закон индукции Фарадея относится к электромагнетизму, связанному с трансформаторами, катушками индуктивности и многими типами электродвигателей и генераторов.

Как только связь с магнетизмом была понята, большие генераторы начали производить постоянный поток электроэнергии. Затем последовали двигатели, которые обеспечивали механическое движение, и лампочка Эдисона, казалось, победила тьму. После того, как Джордж Вестингауз осветил Всемирную Колумбийскую выставку в Чикаго в 1893 году, Вестингауз построил три больших генератора для преобразования энергии Ниагарского водопада в электричество. Технология трехфазного переменного тока, разработанная Николой Теслой, позволила линиям электропередачи передавать электроэнергию на большие расстояния. Таким образом, электричество стало широко доступным для человечества, чтобы улучшить качество жизни.

Рисунок 11: 250 000 лампочек освещают Всемирную Колумбийскую выставку в Чикаго в 1893 году.

Успех электрического освещения привел к строительству трех больших гидрогенераторов на Ниагарском водопаде.

Изобретение электронной вакуумной трубки в начале 1900-х годов стало важным следующим шагом на пути к высоким технологиям, позволившим создавать частотные генераторы, усиления сигналов и цифровую коммутацию. Это привело к появлению радиовещания в 1920-х годах и первого цифрового компьютера под названием ENIAC в 1946 году. Открытие транзистора в 1947 году проложило путь к появлению интегральной схемы 10 лет спустя, а микропроцессор открыл информационную эпоху, навсегда изменив наш образ жизни и работы.

Человечество зависит от электричества, и с ростом мобильности люди все больше и больше тяготеют к портативному источнику питания — сначала для колесных устройств, затем к портативности и, наконец, к носимому использованию. Какими бы неуклюжими и ненадежными ни были первые аккумуляторы, будущие поколения могут смотреть на современные технологии не более чем как на неуклюжие эксперименты.

Рисунок 12: Раннее электрооборудование