истории

Как правильно заряжать? Куда выкидывать? Почему они взрываются? А что, если проглотить? Стыдные вопросы о батарейках и аккумуляторах

Источник: Meduza

В 2019 году Нобелевскую премию в области химии присудили за изобретение литий-ионных аккумуляторов. С решением комитета сложно не согласиться — сейчас батареи такого типа установлены практически в каждое мобильное устройство и стали частью повседневной жизни. Отвечаем на стыдные вопросы о батарейках: как их правильно использовать, и чего с ними делать не нужно.

Как правильно — батарейка или аккумулятор?

Зависит от того, что вы хотите сказать. Самое общее слово — «химический топливный элемент». Если эту штуку можно много раз перезаряжать (не меньше ста раз уж точно), то ее можно назвать и аккумулятором. Если нет — то просто «химическим топливным элементом».

И презаряжаемый, и неперезаряжаемый источник тока может быть (или не быть) батарейкой. Здесь важно, чтобы несколько любых электрических элементов (аккумуляторов, гальванических, топливных), были соединены последовательно или параллельно для увеличения напряжения или силы тока. В обиходной речи батарейками называют и одиночные элементы —например, обычные «пальчики» стандарта АА. Но это, вообще говоря, не корректно.

Как правильно заряжать аккумуляторы? Правда ли, что их надо полностью заряжать, а потом разряжать?

Идея о необходимости полной разрядки с последующей зарядкой до 100% появилась во время широкого распространения никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов. Они обладали выраженной «памятью», то есть их емкость значимо уменьшалась, если заряжать не полностью разряженный элемент или батарею. Тогда же аккумуляторы стали «раскачивать», то есть несколько раз подряд разряжать и заряжать до предела, что несколько увеличивало емкость.

В подавляющем большинстве современных мобильных устройств стоят литий-ионные аккумуляторы. Для них подобные ухищрения неактуальны, поскольку они работают только за счет перемещения ионов лития между анодом и катодом без каких-либо химических преобразований и фазовых переходов. Такой ток ионов можно направлять в определенную сторону (при заряде и разряде) в любой момент — к изменениям в структуре батареи это не приведет. Тем не менее, энтузиасты постоянно предпринимают попытки «раскачивать» и калибровать литий-ионные батареи, однако значимого увеличения емкости добиться не удается.

Более того, глубокий разряд или, наоборот, излишний заряд могут привести к осаждению на электродах металлического лития, что ухудшит характеристики аккумулятора и снизит срок его службы. Этот процесс может сопровождаться газообразованием из-за реакции с электролитом — тогда батарея «вздувается». За тем, чтобы этого не происходило, в современных устройствах, как правило, следит специальный электронный модуль.

Опасность осаждения лития и газообразования существует также при быстром заряде холодного аккумулятора, поэтому перед подключением к источнику тока его лучше согреть до комнатной температуры.

Что такое Quick Charge? За счет чего удается заряжать быстрее?

Quick Charge — это патентованная технология быстрого заряда литий-ионных аккумуляторов, разработанная компанией Qualcomm. Она основана на использовании напряжения и силы тока выше стандартных и подаче напряжения по двум каналам одновременно. При этом и источник питания, и заряжаемое устройство должны поддерживать соответствующую версию технологии (наиболее современная на данный момент — Quick Charge 4+). Аналогичную разработку под разными названиями — TurboPower, Adaptive Fast Charging, Dual-Engine Fast Charging (аналоги Quick Charge 2.0) — используют и другие компании. Существуют и конкурирующие технологии, такие как Pump Express, VOOC, USB Power Delivery и другие.

Если смартфон или планшет не поддерживает какую-либо из подобных технологий, пытаться сэкономить время с помощью более мощных зарядных устройств не рекомендуется — «здоровья» аккумулятору это не прибавит.

Почему от универсального внешнего аккумулятора нельзя зарядить ноутбук? А есть ли подобные устройства для ноутбуков?

Параметры универсальных портативных аккумуляторов соответствуют режиму заряда USB-устройств. Для ноутбуков необходимы совершенно другие характеристики (например, большее напряжение), причем они отличаются в зависимости от модели и производителя. Соответственно, и внешние аккумуляторы нужны другие — более емкие, выдающие разные значения напряжения, имеющие переходники для подключения разных ноутбуков. Они существуют, их можно найти во многих магазинах электроники.

Какие аккумуляторы используются в «Теслах»? А в электросамокатах? Чем они отличаются от батарей смартфонов?

Во всем современном аккумуляторном транспорте используют разновидности литий-ионных батарей — по принципу работы таких же, как в смартфонах, только гораздо более емких и мощных (а значит, объемных и тяжелых). Конкретно в автомобилях Tesla используется около 8 тысяч литиевых батареек формата 18650 — таких же, какие можно встретить в современных фонариках или батареях ноутбуков. Их общая емкость составляет около 80 кВч, конкретное число может быть разным в зависимости от модели.

Литиевые батареи в электромобилях обычно работают в паре с суперконденсатором (ионистором), который выдает большую мощность за короткое время (например, при резком ускорении) и эффективно рекуперирует энергию торможения. Выбор технологии в каждом конкретном случае зависит от большого числа технологических, экономических и других факторов.

В последнее время растет интерес к электротранспорту с водородными топливными ячейками. В отличие от других электрических элементов они требуют постоянного притока топлива — водорода, который, реагируя с кислородом воздуха, вырабатывает ток. Выхлопной газ при этом представляет собой чистый водяной пар. Такие источники питания обладают крайне высоким КПД (80% — не предел), однако требуют специальной инфраструктуры для заправки сжатым водородом. Тем не менее, они уже используются в некоторых городских автобусах за рубежом.

Слышал, что электромобили появились раньше автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, почему про них тогда забыли?

Действительно, поначалу электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания (ДВС) занимали примерно равные доли авторынка. Более того, первым отметку в 100 километров в час преодолел именно электромобиль. Однако потом нефть подешевела, стали более совершенными технологии ее переработки, что позволило получать более чистое топливо, постоянно улучшались и конструкции ДВС — в итоге автомобили с ними стали меньше загрязнять окружающую среду и обогнали принципиально не меняющиеся электромобили со свинцово-кислотными батареями по скорости заправки, запасу хода и динамическим показателям.

С появлением достаточно компактных, емких и экономически приемлемых аккумуляторов интерес к гибридному и электротранспорту стал бурно возрождаться, что мы и наблюдаем сейчас. Способствуют этому и правительственные субсидии на новый экологичный транспорт.

Чем опасно выбрасывать аккумуляторы в мусор? И куда их лучше сдавать?

Массово применяемые технологии утилизации бытовых отходов (сжигание, захоронение) для безопасного обращения с отработавшими аккумуляторами не подходят. Рано или поздно выброшенные батареи разрушатся и выделят в окружающую среду крайне небезобидную начинку: токсичные тяжелые металлы (кобальт, свинец, никель, кадмий, ртуть), едкие вещества (кислоты, щелочи) и другие. Не говоря уже о том, что поврежденные элементы питания, особенно в жаркую погоду, могут расстаться со своим содержимым еще на стадиях сбора и транспортировки мусора.

К сожалению, федеральных документов, регламентирующих сбор и утилизацию аккумуляторов, в России сейчас нет. Существуют локальные законодательные инициативы (например, программа правительства Московской области по переработке свинцово-кислотных аккумуляторов), но этого явно недостаточно.

Сейчас сбором и утилизацией батарей занимаются частные компании, которые проводят периодические акции, а также устанавливают специальные контейнеры в специальных пунктах приема супермаркетах, бизнес-центрах, подъездах и дворах жилых домов (карты обычно имеются на сайтах фирм). Но такие контейнеры есть далеко не везде, и возможности переработки аккумуляторов весьма ограниченны: в России ей занимаются всего три завода — в Челябинске, Новосибирске и Ярославле.

Что потом будет со сданными аккумуляторами? Как их утилизируют?

Сначала элементы питания вручную сортируют по химическому составу и направляют в соответствующие цеха. Там их дробят, с помощью магнита отделяют железный корпус от содержимого, промывают от электролита, экстрагируют цветные металлы и отфильтровывают графит. Металлы возвращаются на производство, электролит используют для нейтрализации кислот, а графит идет на изготовление антифрикционных смазок.

Есть закон Мура про транзисторы — а есть ли такое про батарейки? Почему аккумуляторы развиваются медленнее других элементов электроники?

В мире батарей тоже наблюдается прогресс, но его темп существенно скромнее, чем то, к чему мы привыкли в мире интегральных микросхем. Удельная энергия лучших литий-ионных аккумуляторов с момента их изобретения и начала промышленного производства в 1990-х годах выросла в 2,5 раза, но это, видимо, почти предел.

Сейчас в разработке находятся несколько новых (т.н. постлитийонных) аккумуляторов — литий-воздушные, литий-серные, натрий-ионные и другие. Все это пока лишь лабораторные образцы — каждая принципиально новая технология требует для практической реализации множество дополнительных исследований. У химических источников тока есть и фундаментальные ограничения, которые не зависят от их состава: например, очень емкий аккумулятор не может быть очень мощным и наоборот. Поэтому для тех случаев, когда одновременно требуется и высокая пиковая мощность и большая емкость, новые аккумуляторы будут дополняться устройствами вроде суперконденсаторов.

Почему и когда запретили сдавать батарейки в багаж?

Сразу оговоримся, что подобные запреты касаются только литийсодержащих электрических элементов. Причем Международная организация гражданской авиации (ICAO) с 2016 года запрещает только коммерческие перевозки таких батарей в багажных отсеках пассажирских самолетов. Разные страны и авиакомпании могут ужесточать этот запрет. Так, например, в США запрещено сдавать в багаж литийсодержащие элементы, не вставленные в какое-либо устройство (в том числе внешние аккумуляторы для телефонов), поскольку случайный контакт открытых электродов с металлом может привести к короткому замыканию и воспламенению. В целом опасения, касающиеся таких батарей, связаны с их способностью в редких случаях самовозгораться с выделением большого количества тепла. При этом системы пожаротушения в багажных отсеках не одобрены к применению при подобных пожарах.

Почему горел Samsung Galaxy Note 7? Больше подобных проблем не будет?

Согласно расследованию, проведенному компанией Samsung, самовозгорания аккумуляторов в этой линейке смартфонов происходили из-за дефектов производства в условиях спешной подготовки аппаратов к продажам. В зависимости от конкретного завода это были либо дефекты сварки, либо неточное соответствие размеров батареи и телефона, что приводило к изгибу электродов и недостаточному барьеру между положительным и отрицательным зарядами. Все это создавало условия для перегрева, коротких замыканий и, как следствие, самовозгоранию. Как дефектные батареи пропустила служба контроля качества — вопрос отдельный.

Что касается прогнозов, от производственных дефектов и нарушений при экспертизе готовых устройств полностью не застрахован никто. Другое дело, что их вероятность постоянно стараются минимизировать — в этом сильно заинтересован сам производитель, поскольку подобные истории грозят не только репутационными потерями, но огромными расходами на иски, штрафы и отзыв продукции. Однако, как показывает опыт, иногда алчность и желание выиграть в конкурентной борьбе берут верх.

Может ли аккумулятор взорваться?

Может, причем, наиболее опасны в этом отношении именно литий-ионные аккумуляторы — в «класическом» виде они содержат нестабильные соединения: LiPF₆ в смеси органических карбонатов (электролит) и кобальтат лития (катод). При достаточных температуре и разности потенциалов эти вещества могут выделять горючие газы с предсказуемыми прискорбными последствиями.

Другие причины взрывов аккумуляторов включают конструктивные дефекты (как в случае с Galaxy Note); чрезмерно быструю зарядку и разрядку; механическое воздействие, замыкающее катод и анод, а также (в больших батареях) недостаточный отвод тепла от отдельных ячеек.

А бывают батарейки, которые надо не заряжать, а заливать туда топливо — вроде бензина или спирта? Такие бы сильно пригодились в походе!

Да, бывают — они называются топливными элементами (мы говорили о них в вопросе о транспорте). Во многом они даже превосходят аккумуляторы. Главные факторы, которые ограничивают их использование в походах, на охоте, рыбалке и т. д. — это необходимость брать с собой специальное топливо (чаще всего сжатый водород) и весьма ограниченная его доступность (вряд ли найдется много мест, где можно купить портативную емкость водорода с нужным заправочным переходником). Тем не менее, топливные элементы вполне перспективны в качестве замены аккумуляторам в подходящих условиях.

Некоторые батарейки правда работают дольше? На вид они все одинаковые…

Несмотря на одинаковые форм-факторы, содержимое, а значит, и характеристики, у бытовых элементов питания бывают разными. Самые простые и дешевые — солевые, в них катодом служит диоксид марганца, анодом — цинк, а электролитом — хлорид аммония. В щелочных элементах химический состав катода и анода такие же (хотя цинк не цельнометаллический, а порошкообразный), а в качестве электролита используют гидроксид калия.

По сравнению с солевыми у щелочных элементов больше емкость, разрядный ток, срок хранения и диапазон рабочих температур, меньше саморазряд и падение напряжения в процессе эксплуатации. При этом они дороже и тяжелее.

Как работает беспроводная зарядка? Она с любым аккумулятором может справиться?

Беспроводная зарядка основана на явлении электромагнитной индукции — выработке электричества под действием магнитного поля. Зарядное устройство генерирует его, а смартфон или другой прибор принимают и преобразуют в электричество для аккумулятора. Тип аккумулятора при этом значения не имеет.

Что будет, если проглотить батарейку?

Если батарея застряла в пищеводе, ее заряд или вытекший электролит могут привести к тяжелому ожогу. Если «проскочила» дальше, то в большинстве случаев пройдет через весь желудочно-кишечный тракт без последствий. В случае повреждения корпуса батареи материал электродов и электролит, попавшие в просвет желудка или кишечника, могут вызвать тошноту, рвоту, боль в животе, повышенное слюнотечение, потемнение стула и другие симптомы. Но даже если подобных проявлений нет, нужно обязательно обратиться за медицинской помощью.

А как меняют батарейки, если речь идет про имплантированные устройства?

Вскрывать грудную клетку, чтобы поменять батарейку в кардиостимуляторе, не нужно. В современных устройствах источник питания вшивают под кожу и либо заряжают индукционно, либо заменяют раз в несколько лет.