2014-04-04

Батарейки, акумулятори, паливні елементи

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Водневий паливний елемент

У середині листопада 2009 року був встановлений черговий світовий рекорд за тривалістю пробігу електромобіля без підзарядки: експериментальний варіант малолітражки Daihatsu Mira Van пройшов на акумуляторах 555 км від Токіо до Осаки за тринадцять з половиною годин. Правда, встановлені в цій машині літієві акумулятори від фірми Sanyo Electric теж були експериментальні, і поки для масового споживача недоступні. Показники рядового сучасного електромобіля куди скромніші - менше 200 км від розетки до розетки.

Електричні джерела енергії за останнє століття поступово стали найбільш універсальними серед всіх винайдених людством джерел енергії. Головна перевага електричної енергії перед іншими формами (перш за все теплової) - зручність доставки споживачеві, простота дозування і масштабування споживаючих пристроїв. Від однієї і тієї ж розетки з однаковим успіхом можна живити і кухонну мікрохвильовку потужністю кілька кіловат, і настільні годинники з дисплеєм, що споживають в тисячу разів менше.

Але якщо в області винаходу все нових способів споживання електроенергії людство досягло воістину вражаючих успіхів, то в частині її виробництва за минулий вік серйозне нововведення було впроваджене в практику фактично тільки одне: це атомні електростанції. Але й вони, разом з домінуючими донині тепловими та гідроелектростанціями, можуть розподіляти і доставляти енергію лише в рамках якоїсь централізованої стаціонарної інфраструктури. А мобільному споживачеві, який не хоче бути «прив'язаний до розетки», залишається, як і сто років тому, тільки одне - електрохімічні джерела струму.

Останні, як відомо, діляться на одноразові «батарейки» і акумуляторні батареї. Останнім часом йдуть також розмови про третій різновид: паливні елементи, але вони поки що більше теоретичні (про що далі). Зауважимо, що побутові «батарейки» в більшості випадків правильніше називати елементами, так як «електрична батарея» - це кілька електрохімічних елементів, з'єднаних між собою. Наприклад, пальчикова «батарейка» типорозміру АА або ААА - це елемент, а типорозміру «Крона» - справді батарея. Але в розмовній мові давно заведено називати і те і інше батарейками, і ми не будемо порушувати традиції.

У принципі будь-яка електрохімічна реакція оборотна і може застосовуватися як для одноразового - до вичерпання реагуючих речовин - виробництва електрики, так і для запасання його про запас з періодичним перезарядженням. Але практика диктує своє: лише деякі хімічні реакції серед всього незліченної їх різноманіття можуть бути реально застосовані для цих цілей з достатньою ефективністю.

Причому ефективність елементів, що випускаються промисловістю, м'яко кажучи, залишає бажати кращого. Так, одна з найбільш вигідних реакцій з точки зору вироблення енергії на одиницю маси - це реакція між літієм і киснем, яка у практичних конструкціях сучасних літій-іонних акумуляторів використовує свій потенціал лише на величину, яка ледь перевищує один відсоток (питома енергоємність реальних Li-ion -акумуляторів становить 130-150 Вт-год/кг при теоретичній ефективності реакції більше 11 кВт-год/кг!).

Тому електрохімічним елементам є куди рости. І вони ростуть, але повільніше, ніж хотілося б: появі ряду пристроїв зі збільшеним часом автономної роботи в останні роки (наприклад, електронних «читалок», що працюють кілька тижнів без підзарядки, або нетбуків з автономністю близько шести-семи годин) ми зобов'язані в більшій частині успіхам електроніки, яка придумала нові способи енергозбереження без зниження споживчих якостей, ніж прогресу в області батарейок та акумуляторів.

На практиці масових типів електрохімічних елементів випускається не так вже й багато, і кожен тип має свої переваги та недоліки, від чого області їх застосування помітно різняться.

Одноразові батарейки

Серед одноразових батарейок в останні роки безумовно домінують лужні (alkaline) елементи. Вони за всіма статтями обходять традиційні, які прийнято називати сольовими (їх можна відрізнити від лужних ще за маркуванням General Purpose - «загального застосування»), за винятком ціни: лужні того ж типорозміру рази в два-три дорожчі. Але разова економія коштів обертається збитками у перспективі: лужні мають в середньому в три рази більшу енергоємність (тобто в перерахунку на кожен отриманий джоуль енергії вони виявляються навіть трохи дешевшими), і значно довше зберігаються - до п'яти-семи років без принципової втрати ємності, що важливо в таких пристроях, наприклад, як телевізійні пульти, де основну частину часу батарейки просто лежать. Нарешті, вони можуть віддати більший одноразовий струм, і є ряд пристроїв (наприклад, цифрові камери), де звичайні сольові батарейки просто не «потягнуть».

Інший широко використовуваний тип одноразових елементів - літієві. Вони помітно дорожчі від лужних, але мають ще менший саморозряд (гарантія зазвичай становить близько 10 років), що й обумовлює основну область їх застосування: у якості резервних джерел живлення (це, наприклад, всім відомі «таблетки» типорозміру 2032 для комп'ютерних материнських плат, де вони забезпечують безперервний хід годинника і календаря, а також збереження налаштувань BIOS) і в якості елементів живлення дуже малоспоживаючих пристроїв, таких як наручний годинник.

Акумулятори

Добре відомо, що одна викинута в лісі батарейка здатна отруїти великий мурашник. Ще більшої шкоди завдають батарейки, що потрапляють у водойми - ніколи не кидайте використані елементи у воду! Але навіщо, запитаєте Ви, потрібно щорічно викидати в навколишнє середовище тонни не дуже корисних речовин, якщо, як говорилося, в принципі кожна електрохімічна реакція оборотна, і, здавалося б, куди ефективніше застосовувати акумуляторні елементи? Багаторазові акумулятори, на жаль, повністю замінити одноразові елементи не в змозі, перш за все через високий саморозряд. Будь-який акумулятор (крім літій-іонних) має саморозряд в середньому не менше 5-10% на місяць, і якщо ви спробуєте поставити пальчикові акумулятори в телевізійний пульт, то, швидше за все, він не пропрацює і півроку, як їх доведеться перезаряджати.

Зате акумулятори незамінні там, де енергії потрібно багато - на мобільний телефон, або навіть на цифрову камеру, не кажучи вже про електричні шуруповерти, одноразових батарейок не напасешся. Тому різноманітність типів джерел, що перезаряджаються, більше ніж одноразових і для кожного з них є своя сфера застосування.

Як не дивно, але одним з найпоширеніших типів акумуляторів досі є запущені у виробництво ще в позаминулому столітті свинцево-кислотні (СКА). СКА, хоч і стали в останні десятиліття герметизовані і необслуговувані, але все-таки досить незручні в застосуванні - наприклад вони «бояться» глибокого розряду («в нуль»), перезарядження, зберігання в незарядженому стані. Крім того, вони мають серед всіх поширених типів найнижчу енергоємність в розрахунку на одиницю маси - не більше 20-30 Вт-год/кг.

Тим не менше СКА дешеві, невибагливі, не бояться низьких температур і здатні віддати досить великий струм за короткий час. Тому вони лідирують у тих пристосуваннях, де потрібна значна кількість запасеної енергії в умовах великих перевантажень: у стартерних пристроях для автомобілів, в джерелах безперебійного живлення. Ще недавно вони лідирували також і в області електротранспорту (і досі застосовуються, наприклад, в електрокарах або електропідйомниках), але для галузі виробництва масових електромобілів, яка потроху розвивається, вони виявилися занадто важкими і неекономічними - батареї доводиться здебільшого возити саму себе. До того ж СКА без належної утилізації вкрай шкідливі з точки зору забруднення навколишнього середовища.

Щоб закінчити зі СКА, слід ще згадати про появу в останні десятиліття удосконалених типів - SLA-акумуляторів (Sealed Lead Acid - «герметизовані свинцево-кислотні») з гелевим електролітом, які не бояться перевертання догори ногами і мають поліпшені характеристики: на деякі їх різновиди дають гарантію на 12 років безвідмовної роботи.

Все менше використовують нікель-кадмієві (Ni-Cd) акумулятори, в першу чергу через природоохоронні міркування. Але вони також дешеві, володіють досить високою енергоємністю (удвічі більшою ніж СКА в розрахунку на одиницю маси), перевантажувальною здатністю, і до того ж, на відміну від СКА, не бояться глибокого розряду. Тому і до цього дня вони домінують, наприклад, в області недорогого електроінструменту, шахтарських ліхтарів та інших пристосувань, де потрібна досить велика кількість енергії при відносній мобільності.

Великий недолік Ni-Cd - вони володіють шкідливим «ефектом пам'яті», при якому регулярний заряд недорозрядженого до кінця акумулятора веде до швидкого зниження характеристик, а потім і виходу з ладу. Звідки і веде своє походження легенда, що начебто мобільні телефони слід намагатися використовувати до повного розряду батарей і лише потім ставити на заряджання. Це не так - у найбільш поширених для мобільних пристроїв літій-іонних акумуляторах «ефект пам'яті» відсутній зовсім, і навіть у «пальчикових» нікель-металогідридних він значно менший. А Ni-Cd, за винятком деяких застарілих типів цифрових фотокамер або відеокамер, вже давно в мобільних електронних пристроях не застосовуються.

Область застосування нікель-металогідридних (Ni-Mh) різновидів в побуті практично обмежується пальчиковими акумуляторами, що можуть заміняти одноразові батарейки там, де, як говорилося, не потрібно довготривалого зберігання. Повністю замінити ні нікель-кадмієві акумулятори, ні батарейки вони не в змозі, оскільки володіють високим саморозрядом (до 10 і більше відсотків на місяць) і помітно гірше працюють при перевантаженнях - чому їх не можна застосовувати, наприклад, в деяких старих конструкціях цифрових камер . Є ще одна область, де Ni-Mh домінують в даний час: це електромобілі, у тому числі популярні гібридні конструкції (наприклад, знаменитий Toyota Prius), хоча в цій галузі вони поступово витісняються літій-іонними.

Літій-іонні (Li-ion), які незрівнянно вигідніші від усіх інших типів перш за все за енергоємністю, яка досягає, як ми говорили, 130-150 Вт-год/кг, а також за невеликим саморозрядом (не більше 3% на місяць), найбільш поширені в області харчування високотехнологічних пристроїв - мобільних телефонів, ноутбуків всіх класів, цифрових камер. Це обумовлено тим, що Li-ion відносно дорогі і вимагають досить обережного поводження - зокрема, всі вони мають вбудований контроллер і не підлягають зарядці від «самодіяльних» зарядних пристроїв. Зауважимо, що часто згадувані в пресі літій-полімерні (Li-pol) є просто різновидом літій-іонних, де рідкий електроліт замінений на спеціальний полімер.

Головний недолік Li-ion - окрім дорожнечі - у тому, що при недотриманні режиму заряджання (як, на жаль, і при несправності вбудованого контролера) вони просто вибухають, що сильно обмежує їх застосування. Скандали з відкликанням мільйонів батарей по всьому світу відбуваються з лякаючою регулярністю. Найбільший був у 2006 році, коли Sony була змушена, через ряд загорянь блоків живлення мобільних пристроїв, відкликати приблизно десять мільйонів своїх акумуляторів майже на півмільярда доларів, а останній, вже в 2009 році, пов'язаний з загоряннями блоків живлення знаменитих iPhone та iPod фірми Apple, чим навіть зацікавилися на урядовому рівні в Європі. Toyota збиралася перевести свої гібридні автомобілі на Li-ion ще в 2006 році, але в даний час ці плани перенесені на 2010 рік, хоча ряд конкурентів Toyota (наприклад, Nissan, так само як і Tesla Motors - єдина компанія, що в даний час серійно випускає моделі персональних автомобілів повністю на електричній тязі) літій-іонні акумулятори вже широко використовує.

Тим не менше за Li-ion майбутнє. Слід відзначити досягнення невеликої компанії A123Systems, інженери якої навчилися робити літій-іонні акумулятори із залізофосфатним катодом, який відрізняється винятковою стійкістю, повністю усуваючи в тому числі і проблему самозаймання. Причому застосування нанотехнологій дозволило збільшити корисну площу електродів приблизно на чотири порядки, що підвищило питому енергоємність, а, головне, значно збільшило струм, що віддається при перевантаженнях. Ці акумулятори можна навіть використовувати як стартерні в звичайних автомобілях, з чим до цього часу не справлялися нікелеві. Судячи за укладеними угодами A123Systems з деякими провідними виробниками світу (General Motors, General Electric, китайською BAK Battery), ми можемо очікувати таких акумуляторів на прилавках і у складі різних пристроїв у найближчому майбутньому.

Паливні елементи

Паливний елемент - це реалізація ідеї про те, що процес безпосереднього перетворення електричної енергії в хімічну (наприклад, в такій реакції, як електроліз води - розкладання її на водень і кисень електричним струмом) також може бути оборотним. Безпосереднє, без проміжного перетворення в теплову енергію, перетворення хімічної енергії в електричну могло б бути вкрай вигідним способом використання палива: адже такий процес, крім усього іншого, дозволяє обійти закони термодинаміки, які принципово обмежують к.к.д. теплових машин при заданих температурах нагрівача і холодильника. Теоретично к.к.д. паливного елемента може максимально наблизитися до 100-відсоткової ефективності.

У реальності паливний елемент виявився міцним горішком - корисних на практиці конструкцій не було побудовано аж до другої половини XX століття. З тих пір практичних конструкцій вже придумано досить багато, але для них діє загальне правило: чим невибагливіший такий елемент, тобто чим меншу чистоту вихідного палива він допускає, і чим більше різновидів палива може використовувати, тим складніша його конструкція, і тим при більш високій температурі він повинен працювати. Гранично типи паливних елементів на основі твердої кераміки можуть живитися навіть забрудненими продуктами газифікації кам'яного вугілля, але їх робоча температура становить близько 1000 градусів.

Зрозуміло, що подібні елементи можуть існувати лише у вигляді стаціонарних установок достатньо великої потужності. Так, один з нових хмарочосів Манхеттена, 48-поверховий «Cond? Nast Building @ Four Times Square» на розі Бродвею і 42-ї вулиці, побудований в 2000 році, забезпечується електрикою від двох установок з кислотним електролітом (ортофосфорною кислотою), потужністю по 200 кВт кожна, що працюють на природному газі при температурі робочого середовища близько 200 градусів (тепло також утилізується для опалення будинку, від чого загальний к.к.д. становить близько 85%).

При відносно невеликій робочій температурі - близько 80-100 градусів, фактично можуть працювати тільки паливні елементи на чистому водні, через що вони не отримали широкого поширення - водень незручний для зберігання і вибухонебезпечний. Однак наприкінці 1980-х років фізик з Лос-Аламоської лабораторії Роберт Хокадей (Robert Hockaday) придумав паливний елемент, який може бути реалізований в мініатюрному виконанні, з метиловим спиртом (метанолом) в якості палива. З тих пір цей елемент намагаються пристосувати для живлення електронних пристроїв.

Вже до середини 2000-х практичні конструкції мініатюрних паливних елементв на метанолі, що можуть замінити традиційні батарейки та акумулятори, були фактично готові до виробництва, однак компанії-розробники одна за одною поступово стали згортати ці програми (з великих компаній лише Toshiba продовжує підігрівати інтерес публіки, але на прилавках ми і її пристроїв поки не бачимо). Головною перешкодою стала не стільки складність і дорожнеча конструкції комірки (хоча і це теж), як той факт, що сам метанол отруйний і вогненебезпечний, а значить, категорично заборонений до перевезення на борту повітряних суден. Американське Федеральне авіаційне агентство, навіть спеціально підтвердило, що забороняє мати на борту літака паливні комірки з вмістом метилового спирту вище 24%. А кому потрібен ноутбук або мобільник, який не можна захопити з собою у подорож?

Тому в області малогабаритних паливних елементів, мабуть, доведеться почекати нових досягнень, які дозволять застосовувати не настільки отруйне і вогненебезпечне паливо. Не особливо «пішли» паливні елементи і як енергоустановки для електромобілів - занадто складно возити з собою вибухонебезпечний водень під тиском, перетворюючи тим самим автомобіль в «мрію шахіда», а паливний елемент на менш екзотичному паливі не годиться через громіздкість і, як ми говорили, високу робочу температуру. Але ентузіасти цього напрямку не сумніваються - все ще в майбутньому.

За матеріалами vokrugsveta.ru.

Коментарі:

blog comments powered by Disqus