Остин Аттвилл

Батареи для портативного оборудования

На последнем международном симпозиуме по проблемам источников питания (International Power Sources Symposium), проводимом раз в два года в Брайтоне, были представлены самые передовые достижения в области технологии производства химиче-ских источников питания, а также обозначены проблемы, которые требуют рассмотрения при выборе определённого типа батарей для портативного оборудования.

Двадцать пять лет тому назад основная масса перезаряжаемых аккумуляторных батарей для портативной аппаратуры строилась исключительно на основе никель-кадмиевой (NiCd) технологии, которая постепенно была вытеснена никель-металлогидридной (NiMH), обеспечившей 30-% рост энергоёмкости. Пятнадцать лет назад появились первые промышленные образцы литиевых перезаряжаемых батарей, явившихся результатом эволюции первичных литиевых ячеек питания, разработанных двумя десятилетиями ранее. Последним и самым сильным их соперником являются Li-ионные перезаряжаемые батареи, которые, благодаря своим превосходным характеристикам, вскоре захватят львиную долю рынка химических источников питания для портативного телекоммуникационного оборудования.

Интенсивный поиск замены никель-кадмиевым батареям был обусловлен не только высокой токсичностью кадмия, но и всё возрастающими требованиями к плотности запасённой энергии. Никель-металлогидрид представляет собой экологически безопасный и более лёгкий материал, являющийся электрическим аналогом никель-кадмия и использующий по сути ту же самую технологию и производственное оборудование, а также способный выдерживать чрезмерный заряд. Однако, характерный для него прирост запасённой энергии был всё же недостаточен.

В будущем большие надежды возлагались на литиевые батареи, так как они обещали 4-кратный прирост энергоёмкости при напряжении вдвое большем, чем в первых двух технологиях. Однако, для их реального во-площения потребовался большой объём исследований, так как здесь проявились намного более сложные проблемы, чем те, что были выявлены при разработке самых первых литиевых ячеек. Значительное увеличение плотности запасённой энергии следует из того, что литий представляет собой самый лёгкий металл, плотность которого в 14 раз ниже плотности цинка. В то же время, литий является чрезвычайно активным химическим элементом, а значит требующим соответствующей защиты от влаги как во время сборки, так и во время хранения и использования батарей.

В конце 80-х годов известная канадская фирма наладила массовый выпуск цилиндрических литиевых ячеек. И только начала подсчитывать прибыль от продаж свой продукции по всему миру, как батарейки, используемые в радиотелефонах, начали яростно взрываться. Случайный, казалось бы, инцидент, но фактически именно он подписал смертный приговор ячейкам, содержащим металлический литий в качестве отрицательного электрода. Почему? Просто, в процессе подзарядки таких батарей требовалось восстановление слоя лития на отрицательном электроде до первоначального состояния. Для того, чтобы оценить всё многообразие химических и электрических процессов и условий, необходимых для получения требуемого результата, вовсе не обязательно быть специалистом в области гальванической обработки металлов. Соблюдение всех необходимых условий в течение процесса подзарядки литиевых батарей оказалось в высшей степени трудной задачей, поэтому в настоящее время развитием этих устройств занимается весьма ограниченное количество разработчиков.

Ионно-литиевые батареи вступают в бой

Принцип работы этих батарей основан на движении положительно заряженных ионов лития Li+ между положительными и отрицательными электродами в процессе разрядки и зарядки. Металлический литий в этих процессах участия не принимает, поэтому не возникает никаких проблем с восстановлением электродов, что делает поведение батарей намного более безопасным и стабильным. Наличие отрицательного электрода, принимающего и отдающего ионы, является общим для всех систем, но имеется широкий выбор материалов, пригодных для реализации положительного электрода и способных обеспечивать разность потенциалов между электродами до 3 В. До этого ни один из материалов не был так стабилен при многократно повторяющихся циклах разрядки-зарядки и не был столь привлекателен по стоимости.

Для нормальной работы любой электрохимической батареи необходимо как минимум три компонента: два электрода и электролит, обеспечивающий перенос ионов. В малогабаритных батареях электролит может быть твёрдым, жидким и гелеобразным. Каждый вариант имеет своих противников и сторонников, чем объясняется обилие доступных физических реализаций. Жидкие электролиты применяются, как правило, в клееных цилиндрических батареях, но из-за высокой опасности возгорания они не нашли применения в других системах. Для разработки твёрдых электролитов для подзаряжаемых литиевых батарей потребовалось два десятилетия напряжённых исследований. На их основе стало возможным создание тонких и плоских батарей, но малый диапазон рабочих температур и сравнительно небольшая мощность ограничивает область применения таких устройств. Компромиссным решением выглядит введение жидких электролитов в твёрдую пленку для образования геля, что возможно, позволит несколько улучшить параметры батарей.

В производство ячеек этих трёх типов сейчас вовлечено достаточно большое количество компаний, основные надежды которых возлагаются на ключевые патенты, владельцем которых является английская компания AEA Technology, и на исследовательские работы, проводимые Оксфордским университетом. В будущем, вероятнее всего, не будет наблюдаться какого-либо резкого скачка в характеристиках малогабаритных подзаряжаемых батарей, аналогичного достигнутому в период перехода от никель-кадмиевых к ионно-литиевым устройствам, а статус лития сохранится как статус самого лёгкого и химически активного металла.

В общем потоке незначительных усовершенствований ионно-литиевых батарей за счёт оптимального подбора материалов электродов и общего конструктивного исполнения возникает вопрос, имеются ли какие-либо альтернативные решения? В течение последних пяти лет широкое распространение в недорогой бытовой аппаратуре получили подзаряжаемые версии щелочных батарей на основе цинка и марганца — алкалиновых батарей типа Duracell. Хотя по своим характеристикам эти устройства всё ещё далеки от ионно-литиевых батарей, они стали весьма популярными в США, но по некоторым причинам ещё не завоевали рынки Европы. Несколько более серьёзным соперником представляются воздушно-цинковые батареи для мобильных телефонов, производимые в основном израильской компанией Electrical Fuel, принцип действия которых принципиально отличается от всех других.

За счёт использования кислорода из воздуха вместо тяжёлого химического наполнителя, стало возможным создание чрезвычайно лёгких источников питания. Разработанные перед самым появлением литиевых ячеек, такие батареи заняли свою нишу на потребительском рынке, вытеснив ртутно-цинковые батареи для слуховых аппаратов, имевших удвоенную ёмкость. Теперь это возрождается подобно энергосистемам электрокаров: разряженные пакеты батарей будут заменяться на свежие на некоем подобии заправочных станций. Недавно фирма перешла с производства литиевых перезаряжаемых батарей на выпуск воздушно-цинковых аккумуляторов, хотя последние не предлагают значительного увеличения ёмкости по сравнению с литиевыми устройствами.

Современные требования к ёмкости элементов питания — это 6 часов непрерывной работы для аналогового и 15 часов — для цифрового сотового телефона. Материалы, представленные на симпозиуме, говорят о том, что достигнуто 3-кратное превышение этого показателя при 6-кратном снижении стоимости. Однако, остаётся открытым вопрос, что лучше: быть независимым от зарядного устройства или носить с собой как минимум одну запасную батарею.

Что же остаётся разработчикам? Им остаётся выбирать из широкого набора различных ионно-литиевых устройств, предлагающих приблизительно одинаковую ёмкость, но имеющих разную мощность. Не следует также забывать о том, что литий на отрицательном электроде и в металлическом виде, и в виде ионов, остаётся весьма огнеопасным, как и некоторые жидкие и гелеобразные электролиты. Кроме того, литиевые батареи хуже работают при низких температурах, чем их никель-кадмиевые собратья, а длительное хранение при повышенной температуре может пагубно сказаться на их параметрах в целом.

Следовательно, от поставщика батарей надо требовать не только информацию об основных рабочих характеристиках, но и результаты испытаний, проведённые в заданном диапазоне температур, а также после длительного хранения. И разумеется, надо внимательно отслеживать все изменения на рынке химических источников питания.

CIE, октябрь 1999 г.