Что скрыто внутри батарейки и как это работает?
Батарейки стали неотъемлемой частью нашей жизни. Мы используем их повсеместно - в часах, фонариках, игрушках, пультах и многом другом. Но мало кто задумывается, как устроена эта маленькая, но мощная штучка и что происходит у нее внутри. Давайте разберемся!
История создания батарейки
Первые опыты по созданию источника электрического тока начали проводить еще в конце XVIII века. В 1786 году итальянский ученый Луиджи Гальвани случайно обнаружил, что препарированная лягушачья лапка подергивается при прикосновении двух разнородных металлов. Это явление он назвал "животным электричеством".
Однако истинную природу этого феномена выяснил другой итальянский физик - Алессандро Вольта. В 1798 году он сконструировал первый химический источник тока, который назвал "Вольтов столб". Он представлял собой стопку медных и цинковых дисков, чередующихся с пропитанными электролитом тканевыми прокладками. В результате химической реакции между металлами и электролитом через проводники, соединяющие диски, возникал электрический ток. Это был прообраз современных гальванических элементов.
В дальнейшем конструкция батареек постоянно совершенствовалась. В 1868 году французский инженер Жорж Лекланше изобрел первый электрический элемент с жидким электролитом и неполяризующимся электродом. Это открытие положило начало массовому производству доступных источников тока.
Настоящий прорыв произошел в XX веке, когда были изобретены щелочные батарейки, а позднее - литиевые. Это позволило значительно увеличить емкость и срок службы гальванических элементов. Сегодня трудно представить нашу жизнь без компактных и надежных батареек, питающих самые разные электроприборы.
Что находится внутри батарейки
Любая современная батарейка имеет электрохимическую природу и состоит из трех основных компонентов:
- Положительный электрод (катод).
- Отрицательный электрод (анод).
- Электролит (проводящая ионная среда).
При соединении электродов через внешнюю цепь происходит окислительно-восстановительная реакция с выделением электронов.
Рассмотрим на примере наиболее распространенной щелочной батарейки AA, как устроен такой элемент питания.
- Положительным электродом (катодом) служит стальной стаканчик, покрытый изнутри слоем диоксида марганца.
- Отрицательным электродом (анодом) является цинковый стержень, погруженный в гель из цинкового порошка и гидроксида калия.
- Гидроксид калия играет роль электролита, обеспечивая ионную проводимость.
- Сепаратор из картона или ткани разделяет катод и анод, не давая им соприкоснуться.
- Снаружи все заключено в стальной корпус в виде цилиндра.
Кроме классических щелочных батареек используются элементы питания на основе других пар электродных материалов и электролитов, от этого и зависит, что внутри батарейки:
- Цинк-воздушные с кислородом воздуха в качестве катода.
- Литиевые с литием в аноде и диоксидом марганца или другим соединением в катоде.
- Никель-кадмиевые с гидроксидом никеля на катоде.
- Никель-металл-гидридные с гидридом сплава в аноде.
Выбор того или иного сочетания материалов определяет основные характеристики элемента питания.
Перспективы развития технологий батареек
Несмотря на многолетнюю историю, технологии производства батареек продолжают совершенствоваться. Ученые работают над повышением емкости и срока службы элементов, а также улучшением экологичности и безопасности, из-за чего и меняется то, что внутри батарейки пальчиковой.
Солевые батарейки
Солевые батарейки отличаются низкой стоимостью, но и небольшой емкостью. Они хорошо подходят для устройств с малым энергопотреблением, таких как часы, калькуляторы, пульты управления.
Щелочные батарейки
Щелочные или алкалиновые батарейки имеют более высокую емкость и стабильное напряжение. Их часто используют в фотоаппаратах, игрушках, фонарях и других устройствах со средним потреблением энергии.
Литиевые батарейки
Литиевые батарейки отличаются наибольшей емкостью и длительным сроком службы. Они подходят для часов, измерительных приборов, а также портативной электроники с высоким энергопотреблением.
Особенности утилизации
Использованные батарейки нужно утилизировать отдельно от обычного мусора. Многие металлы и химические вещества, которые в них содержатся, токсичны. Сбор и переработка отработанных батареек позволяет предотвратить загрязнение окружающей среды.
Ученые продолжают работать над улучшением характеристик батареек. Одним из перспективных направлений является создание тонкопленочных литий-ионных батареек, которые будут еще более компактными и емкими.