Остин Аттвилл

    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 определенного 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 энергоемкости. 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 все возрастающими требованиями к плотности запасенной энергии. Никель-металлогидрид представляет собой экологически безопасный и более легкий 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 запасенной энергии был все же недостаточен.

    В будущем большие надежды возлагались на литиевые батареи, так как они обещали 4-кратный прирост энергоемкости при напряжении вдвое большем, чем в первых двух технологиях. Однако, для их реального во-площения потребовался большой объем исследований, так как здесь проявились намного более сложные проблемы, чем те, что были выявлены при разработке самых первых литиевых ячеек. Значительное увеличение плотности запасенной энергии следует из того, что литий представляет собой самый легкий 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 все 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 твердым, 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 твердых электролитов для подзаряжаемых литиевых батарей потребовалось два десятилетия напряженных 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 твердую пленку для образования геля, что возможно, позволит несколько улучшить параметры батарей.

    В производство ячеек этих трех 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 легкого и химически активного металла.

    В общем потоке незначительных усовершенствований ионно-литиевых батарей за счет 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 все еще далеки от ионно-литиевых батарей, они стали весьма популярными в США, но по некоторым причинам еще не завоевали рынки Европы. Несколько более серьезным соперником представляются воздушно-цинковые батареи для мобильных телефонов, производимые в основном израильской компанией Electrical Fuel, принцип действия которых принципиально отличается от всех других.

    За счет использования кислорода из воздуха вместо тяжелого химического наполнителя, стало возможным создание чрезвычайно легких 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 емкость. 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 емкости по сравнению с литиевыми устройствами.

    Современные требования к емкости 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, остается открытым вопрос, что лучше: быть независимым от зарядного устройства или носить с собой как минимум одну запасную батарею.

    Что же остается разработчикам? Им остается выбирать из широкого набора различных ионно-литиевых устройств, предлагающих приблизительно одинаковую емкость, но имеющих разную мощность. Не следует также забывать о том, что литий на отрицательном электроде и в металлическом виде, и в виде ионов, остается 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, проведенные 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.