На данный момент уже практически никто и не помнит, что 1-ый расцвет авто транспорта был связан с электромобилями. Но возникновение надежного двигателя внутреннего сгорания их практически сходу похоронило: фактически весь нужный объем электромобиля приходилось отдавать под батареи. Фото (Creative Commons license): J Brew
Посреди ноября был установлен новый мировой рекорд по длительности пробега электромобиля без подзарядки: экспериментальный вариант малолитражки Daihatsu Mira Van прошел на аккумах 555 км от Токио до Осаки за тринадцать с половиной часов. Правда, установленные в этой машине литиевые батареи от компании Sanyo Electric тоже были экспериментальные, и пока для массового потребителя труднодоступные. Характеристики рядового современного электромобиля куда скромнее — наименее 200 км от розетки до розетки.Электронные источники энергии за последний век равномерно стали более универсальными посреди всех придуманных населением земли источников энергии. Главное преимущество электронной энергии перед другими формами (сначала термический) — удобство доставки потребителю, простота дозирования и масштабирования потребляющих устройств. От одной и той же розетки с схожим фуррором можно питать и кухонную микроволновку мощностью в пару кв, и настольные часы с ЖК-индикатором, потребляющие в тыщу раз меньше.
Но если в области изобретения все новых методов употребления электроэнергии население земли достигнуло воистину впечатляющих фурроров, то по части её производства за прошедший век суровое новаторство было внедрено в практику практически только одно: это атомные электростанции. Да и они, совместно с доминирующими до настоящего времени термическими и гидроэлектростанциями, могут распределять и доставлять энергию только в рамках некоей централизованной стационарной инфраструктуры. А мобильному потребителю, который не желает быть «привязан к розетке», остается, как и 100 годов назад, только одно — химические источники тока.
Последние, как понятно, делятся на разовые «батарейки» и перезаряжаемые батареи. В ближайшее время идут также дискуссии о третьей разновидности: топливных элементах, но пока более теоретические (о чем дальше). Заметим, что бытовые «батарейки» почти всегда вернее именовать элементами, потому что «электрическая батарея» — это несколько химических частей, соединенных меж собой. К примеру, пальчиковая «батарейка» типоразмера АА либо ААА — это элемент, а типоразмера «Крона» — вправду батарея. Но в разговорном языке издавна принято именовать и то и это батарейками, и мы не будем нарушать традиции.
В принципе неважно какая химическая реакция обратима и может применяться как для однократного — до исчерпания реагирующих веществ — производства электричества, так и для запасания его впрок с повторяющейся перезарядкой. Но практика диктует свое: только немногие хим реакции посреди всего бессчетного их обилия могут быть реально использованы для этих целей с достаточной эффективностью.
При этом эффективность частей, выпускаемых индустрией, мягко говоря, оставляет вожделеть наилучшего. Так, одна из самых прибыльных реакций исходя из убеждений выработки энергии на единицу массы — это реакция меж литием и кислородом, которая в практических конструкциях современных литий-ионных аккумов употребляет собственный потенциал только на величину, чуть превосходящую один процент (удельная энергоемкость реальных Li-ion-аккумуляторов составляет 130–150 Вт-ч/кг при теоретической эффективности реакции более 11 кВт-ч/кг!).
Номенклатура химических частей очень многообразна: они могут быть очень непохожи друг на друга по весу, размеру, форме и емкости, только напряжение на выходе (эдс) практически всегда одно и то же, так как определяется типом хим реакции. Фото (Creative Commons license): yellowcloud
Поэтому химическим элементам есть куда расти. И они вырастают, но медлительнее, чем хотелось бы: возникновением ряда устройств с увеличенным временем автономной работы в последние годы (к примеру, электрических «читалок», работающих пару-тройку недель без подзарядки, либо нетбуков с автономностью порядка шести-семи часов) мы должны в большей части успехам электроники, придумавшей новые методы сбережения энергии без понижения потребительских свойств, чем прогрессу в области батареек и аккумов.
На практике массовых типов химических частей выпускается не так и много, и каждый тип имеет свои плюсы и недочеты, отчего области их внедрения приметно различаются.
Разовые батарейки
Посреди разовых батареек в последние годы непременно доминируют щелочные (alkaline) элементы. Они по всем статьям обходят классические, которые принято именовать солевыми (их реально отличить от щелочных ещё по маркировке General Purpose — «общего применения»), кроме цены: щелочные такого же типоразмера раза в два-три дороже. Но разовая экономия средств оборачивается убытками в перспективе: щелочные имеют в среднем втрое огромную энергоемкость (другими словами в пересчете на каждый приобретенный джоуль энергии они оказываются даже несколько дешевле), и существенно подольше хранятся — до пяти-семи лет без принципной утраты емкости, что принципиально в таких устройствах, к примеру, как телевизионные пульты, где основную часть времени батарейки просто лежат. В конце концов, они могут дать больший единовременный ток, и есть ряд устройств (к примеру, цифровые камеры), где обыденные солевые батарейки просто не «потянут».
Другой обширно применяемый тип разовых частей — литиевые. Они приметно дороже щелочных, но имеют ещё наименьший саморазряд (гарантия обычно составляет порядка 10 лет), что и обуславливает основную область их внедрения: в качестве запасных источников питания (это, к примеру, всем известные «таблетки» типоразмера 2032 для компьютерных материнских плат, где они обеспечивают непрерывный ход часов и календаря, также сохранение опций BIOS) и в качестве частей питания очень малопотребляющих устройств, таких как наручные часы.
Батареи
Отлично понятно, что одна выброшенная в лесу батарейка способна отравить большой муравейник. Ещё больший вред наносят батарейки, попадающие в водоемы — никогда не кидайте использованные элементы в воду! Так для чего, спросите вы, необходимо выкидывать в окружающую среду раз в год тонны не очень нужных веществ, если, как говорилось, в принципе любая химическая реакция обратима, и, казалось бы, куда эффективнее использовать перезаряжаемые элементы? Многоразовые батареи, как досадно бы это не звучало, стопроцентно поменять разовые элементы не в состоянии, сначала из-за высочайшего саморазряда. Хоть какой аккумулятор (не считая литий-ионных) имеет саморазряд в среднем более 5–10% за месяц, и если вы попробуете поставить пальчиковые батареи в телевизионный пульт, то, вероятнее всего, он не проработает и полугода, как их придется перезаряжать.
Зато батареи неподменны там, где энергии требуется много — на мобильный телефон, либо даже на цифровую камеру, не говоря уж об электронном шуруповерте, разовых батареек не напасешься. Поэтому обилие типов перезаряжаемых источников больше, чем разовых, и для каждого из их есть своя область внедрения.
Как ни удивительно, но одним из часто встречающихся типов аккумов до сего времени являются запущенные в создание ещё в позапрошлом веке свинцово-кислотные (СКА). СКА, хоть и стали в последние десятилетия герметизированными и необслуживаемыми, но все-же достаточно неудобны в применении — к примеру, они «боятся» глубочайшего разряда («в ноль»), перезаряда, хранения в незаряженном состоянии. Не считая того, они имеют посреди всех всераспространенных типов самую низкую энергоемкость в расчете на единицу массы — менее 20–30 Вт-ч/кг.
Все же СКА дешевы, нетребовательны, не страшатся низких температур и способны дать довольно большой ток за куцее время. Поэтому они лидируют в тех применениях, где требуется существенное количество запасенной энергии в критериях огромных перегрузок: в стартерных устройствах для автомобилей, в источниках бесперебойного питания. Ещё не так давно они лидировали также и в области электротранспорта (и до сего времени используются, к примеру, в электрокарах либо электроподъемниках), но для понемногу развивающейся отрасли производства массовых электромобилей они оказались очень томными и неэкономичными — батарее приходится по большей части возить саму себя. К тому же СКА без соответствующей утилизации очень вредоносны исходя из убеждений загрязнения среды.
Чтоб окончить со СКА, следует ещё упомянуть о возникновении в последние десятилетия улучшенных типов — SLA-аккумуляторов (Sealed Lead Acid — «герметизированные свинцово-кислотные») с гелевым электролитом, не боящихся переворачивания ввысь ногами и владеющих усовершенствованными чертами: на некие их разновидности дают гарантию на двенадцать лет неотказной работы.
Самовозгорание этого ноутбука стало предпосылкой эвакуации высотного офисного строения. Само же оно, в свою очередь, было вызвано неисправным аккумом компании SONY. Фото (Creative Commons license): Stewart Butterfield
Меньше употребляют никель-кадмиевые (Ni-Cd) батареи, сначала из-за природоохранных суждений. Но они также дешевы, владеют довольно высочайшей энергоемкостью (в два раза больше СКА в расчете на единицу массы), перегрузочной способностью, и к тому же, в отличие от СКА, не страшатся глубочайшего разряда. Поэтому и до настоящего времени они доминируют, к примеру, в области дешевого электроинструмента, шахтерских фонарей и иных применений, где требуется довольно огромное количество энергии при относительной мобильности.
Большой недочет Ni-Cd — они владеют вредным «эффектом памяти», при котором постоянный заряд недоразряженного до конца аккума ведет к резвому понижению черт, а потом и выходу из строя. Откуда и ведет свое происхождение легенда, что как будто мобильники следует стараться использовать до полного разряда батарей и только позже ставить на подзарядку. Это не так — в более всераспространенных для мобильных устройств литий-ионных аккумах «эффект памяти» отсутствует совершенно, и даже в «пальчиковых» никель-металлогидридных он существенно меньше. А Ni-Cd, кроме неких устаревших типов цифровых камер либо видеокамер, уже издавна в мобильных электрических устройствах не используются.
Область внедрения никель-металлогидридных (Ni-Mh) разновидностей в быту фактически ограничивается пальчиковыми аккумами, способными подменять разовые батарейки там, где, как говорилось, не требуется длительного хранения. Стопроцентно поменять ни никель-кадмиевые батареи, ни батарейки они не в состоянии, потому что владеют высочайшим саморазрядом (до 10 и поболее процентов за месяц), и приметно ужаснее работают при перегрузках — отчего их нельзя использовать, к примеру, в неких старенькых конструкциях цифровых камер. Есть ещё одна область, где Ni-Mh доминируют в текущее время: это электромобили, в том числе пользующиеся популярностью гибридные конструкции (к примеру, известный Тоета Prius), хотя в этой области они равномерно вытесняются литий-ионными.
Литий-ионные (Li-ion), которые несоизмеримо прибыльнее всех других типов сначала по энергоемкости, достигающей, как мы гласили, 130–150 Вт-ч/кг, также по маленькому саморазряду (менее 3% за месяц), более всераспространены в области питания сверхтехнологичных устройств — мобильников, ноутбуков всех классов, цифровых камер. Это обосновано тем, что Li-ion относительно дороги и требуют достаточно осторожного воззвания — а именно, они все имеют интегрированный контроллер и не подлежат зарядке от «самодеятельных» зарядных устройств. Заметим, что нередко упоминающиеся в прессе литий-полимерные (Li-pol) есть просто разновидность литий-ионных, где водянистый электролит заменен на особый полимер.
Главный недочет Li-ion — не считая накладности — в том, что при несоблюдении режима заряда (как, как досадно бы это не звучало, и при неисправности встроенного контроллера) они просто взрываются, что очень ограничивает их применение. Скандалы с отзывом миллионов батарей по всему миру происходят с пугающей регулярностью. Самый большой был в 2006 году, когда Sony была обязана, из-за ряда возгораний блоков питания мобильных устройств, отозвать приблизительно 10 миллионов собственных аккумов практически на полмиллиарда баксов, а самый последний, уже в 2009 году, связан с возгораниями блоков питания именитых iPhone и iPod компании Apple, чем даже заинтересовались на правительственном уровне в Европе. Тоета собиралась перевести свои гибридные авто на Li-ion ещё в 2006 году, но в текущее время эти планы отнесены на 2010 год, хотя ряд соперников Тоета (к примеру, Nissan, равно как и Tesla Motors — единственная компания, серийно выпускающая в текущее время модели индивидуальных автомобилей стопроцентно на электронной тяге) литий-ионные батареи уже обширно употребляет.
Все же за Li-ion, непременно, будущее. Необходимо подчеркнуть достижение маленький компании A123Systems, инженеры которой научились делать литий-ионные батареи с железофосфатным катодом, отличающимся исключительной стойкостью, стопроцентно устраняя в том числе и делему самовозгорания. При этом применение нанотехнологий позволило прирастить полезную площадь электродов приблизительно на четыре порядка, что повысило удельную энергоемкость, а, главное, существенно прирастило отдаваемый ток при перегрузках. Эти батареи можно даже использовать в качестве стартерных в обыденных автомобилях, с чем до сего времени не управлялись и никелевые. Судя по заключенным A123Systems соглашениям с некими ведущими производителями мира (Дженерал моторс, General Electric, китайской BAK Battery), мы вправе ждать таких аккумов на прилавках и в составе разных устройств в ближнем будущем.
Здание на Таймс-сквер, известное как Конде-наст-билдинг, снабжается электроэнергией от 2-ух топливных частей и своим сиянием иллюстрирует перспективы новейшей идеи. Фото (Creative Commons license): star5112
Топливные элементы
Топливный элемент — это реализация идеи о том, что процесс конкретного перевоплощения электронной энергии в хим (к примеру, в таковой реакции, как электролиз воды — разложение её на водород и кислород электронным током) также может быть обратимым. Конкретное, без промежного преобразования в термическую энергию, перевоплощение хим энергии в электронную могло бы быть очень прибыльным методом использования горючего: ведь таковой процесс, не считая всего остального, позволяет обойти законы термодинамики, принципно ограничивающие к.п.д. термических машин при данных температурах нагревателя и холодильника. На теоретическом уровне к.п.д. топлвного элемента может очень приблизиться к 100-процентной эффективности.
В действительности топливный элемент оказался крепким орехом — нужных на практике конструкций не было выстроено прямо до 2-ой половины XX века. С того времени практических конструкций уже выдумано достаточно много, но для их действует общепринятое правило: чем неприхотливее таковой элемент, другими словами чем наименьшую чистоту начального горючего он допускает, и чем больше разновидностей горючего может использовать, тем труднее его конструкция, и тем при более высочайшей температуре он должен работать. В пределе типы топливных частей на базе жесткой керамики могут питаться даже грязными продуктами газификации каменного угля, но рабочая температура их составляет порядка 1000 градусов.
Понятно, что подобные элементы могут существовать только в виде стационарных установок довольно большой мощности. Так, один из новых небоскребов Манхэттена, 48-этажный «Conde Nast Building @ Four Times Square» на углу Бродвея и 42-й улицы, построенный в 2000 году, снабжается электричеством от 2-ух установок с кислотным электролитом (ортофосфорной кислотой), мощностью по 200 кВт любая, работающих на природном газе при температуре рабочей среды около 200 градусов (тепло также утилизируется для отопления строения, отчего общий к.п.д. составляет порядка 85%).
При относительно маленький рабочей температуре — порядка 80–100 градусов, — практически могут работать только топливные элементы на чистом водороде, отчего они не получили широкого распространения — водород неудобен для хранения и взрывоопасен. Но в конце 1980-х годов физик из Лос-Аламосской лаборатории Роберт Хокадэй (Robert Hockaday) выдумал топливный элемент, который может быть реализован в маленьком выполнении, с метиловым спиртом (метанолом) в качестве горючего. С того времени этот элемент пробуют приспособить для питания электрических устройств.
Уже к середине 2000-х практические конструкции маленьких топливных элементв на метаноле, способные поменять классические батарейки и батареи, были практически готовы к производству, но компании-разработчики одна за другой равномерно стали сворачивать эти программки (из больших компаний только Toshiba продолжает подогревать энтузиазм публики, но на прилавках мы и её устройств пока не лицезреем). Основным препятствием стала не столько сложность и накладность конструкции ячейки (хотя и это тоже), но тот факт, что сам метанол ядовит и огнеопасен, а означает, категорически запрещен к провозу на борту воздушных судов. Южноамериканское Федеральное авиационное агентство даже специально подтвердило, что воспрещает иметь на борту самолета топливные ячейки с содержанием метилового спирта выше 24%. А кому нужен ноутбук либо телефон, который нельзя захватить с собой в путешествие?
Потому в области компактных топливных частей, видимо, придется подождать новых достижений, которые позволят использовать не настолько ядовитое и огнеопасное горючее. Не особо «пошли» топливные элементы и в качестве энергоустановок для электромобилей — очень трудно возить с собой взрывоопасный водород под давлением, превращая тем автомобиль в «мечту шахида», а топливный элемент на наименее экзотичном горючем не годится в силу громоздкости и, как мы гласили, высочайшей рабочей температуры. Но энтузиасты этого направления не колеблются — все ещё в дальнейшем.
Юрий Ревич
ужс я даже не могу представить как это больно 