Его величество аккумулятор. Часть I: немного истории

Мобильный телефон стал нашим постоянным спутником. Наверное, многим из нас, знакома ситуация когда в самый неподходящий момент мы остаемся без связи, причем по весьма прозаичной причине – из-за разряда аккумулятора.

Известно, что любое электронное устройство нуждается в источнике питания. Это аксиома. Более того, любое мобильное устройство, будь то сотовый телефон, ноутбук или плеер, нуждается в автономном источнике питания, который будет обеспечивать работу данного устройства в течение определенного периода времени без подключения к электрической сети. Длительность автономной работы зависит от многих факторов, среди которых главными являются – величина тока, потребляемого устройством, и параметры автономного источника питания.Первый химический источник электрического тока был изобретен случайно, в конце 17 века итальянским ученым Луиджи Гальвани. На самом деле целью изысканий Гальвани был совсем не поиск новых источников энергии, а исследование реакции подопытных животных на разные внешние воздействия. В частности, явление возникновения и протекания тока было обнаружено при присоединении полосок из двух разных металлов к мышце лягушачьей лапки. Теоретическое объяснение наблюдаемому процессу Гальвани разработал неверное, однако его опыты стали основой исследований другого итальянского ученого Алессандро Вольта, который собственно и сформулировал главную идею изобретения - причиной возникновения электрического тока является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Для подтверждения своей теории Вольт создал нехитрое устройство, состоявшее из цинковой и медной пластин погруженных в емкость с соляным раствором. Именно это устройство стало первым в мире автономным элементом питания и прародителем современных батарей, которые в честь Луиджи Гальвани именуют гальваническими элементами.

Современные автономные источники питания внешне имеют мало общего с устройством, созданным Алессандро Вольта, однако базовый принцип остался неизменным. Любая батарея состоит из трех основных элементов – двух электродов, называемых анодом и катодом, и электролита находящегося между ними. Возникновение электрического тока – это побочный результат окислительно-восстановительной реакции идущей между электродами. Выходной ток, напряжение и другие параметры батареи зависят от выбранных материалов анода, катода и электролита, а также конструкции самой батареи. Все батареи можно разделить на два больших класса – первичные и вторичные. В первичных элементах питания химические реакции являются необратимыми, а во вторичных – обратимыми. Соответственно – вторичные элементы, которые известным нам как аккумуляторы, можно восстановить (зарядить) и использовать заново.

Среди мобильных телефонов прошлых лет присутствовали аппараты, например Motorola V2288, которые могли работать как от аккумуляторов, так и от нескольких стандартных батарей типа АА или ААА. С точки зрения пользователя у данного подхода есть существенный плюс – проблему «севшего аккумулятора» почти всегда можно решить, не прибегая к помощи зарядного устройства и электрической сети. В настоящее время подобные телефоны стали достоянием истории по двум причинам, первой из которых стал отказ от аккумуляторов на основе никеля, а второй – желание производителей уменьшить массогабаритные показатели аппарата.Первым типом аккумуляторов, получившим широкое распространение, стали свинцово-кислотные аккумуляторы, которые начали серийно производиться в 1890 году. В 1900 году они нашли свое основное применение – именно в этом году с конвейера сошел первый автомобиль, оснащенный свинцово-кислотным аккумулятором. Кстати, свинцово-кислотные аккумуляторы до сих пор применяются в автомобилях, источниках бесперебойного питания и других крупногабаритных устройствах, где требуются большие токи. Огромным плюсом аккумуляторов данного типа является отсутствие «эффекта памяти», который заключается в снижении емкости батареи из-за неполного разряда в момент следующей зарядки. В силу технологических особенностей – большой вес, габариты и содержание кислоты – к мобильным устройствам этот тип аккумуляторов имеет весьма условное отношение. Однако на заре «мобильной» эры существовали «переносные» телефоны оснащенные свинцово-кислотными аккумуляторами.Следующим этапом развития стало появление никель-кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторов, в которых анод состоял из никеля, а катод – из кадмия. Аккумуляторы этого типа были гораздо более компактными, дешевыми, но при этом могли выдавать большие токи, что до сих пор делает их актуальными для использования, например, в портативном электроинструменте. Несомненный плюс никель-кадмиевых аккумуляторов – это способность выдерживать большое количество циклов разряд-заряд. Еще одной особенностью аккумуляторов этого типа является то, что с разрядом аккумулятора выходное напряжение практически не изменяется, а при приближении к полному разряду – резко падает практически до нуля. Но у никель-кадмиевых аккумуляторов есть два существенных минуса. Во-первых, они содержат кадмий, который опасен для окружающей среды и человека. Во-вторых, у них очень сильно выражен «эффект памяти», поэтому при эксплуатации подобных аккумуляторов необходимо в обязательном порядке их полностью разряжать, а потом полностью заряжать, именно в этом случае аккумулятор будет служить долго. Для никель-кадмиевых аккумуляторов всего несколько циклов с подзарядкой при неполном разряде могут стать губительными и аккумулятор лишиться значительной части емкости.Частично устранить недостатки никель-кадмиевых аккумуляторов были призваны никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы, в которых отсутствовал «опасный» кадмий. Так же, как и в никель-кадмиевых, в никель-металлогидридных аккумуляторах анод никелевый, но катоды были сделаны из гидридов, которые фактически представляют собой металлические сплавы, способные удерживать атомарный водород. У никель-металлогидридных аккумуляторов значительно слабее выражен эффект памяти, они имеют лучшее соотношение емкости и габаритных размеров. Однако никель-металлогидридные аккумуляторы выдерживают меньшее количество циклов заряд-разряд и дороже никель-кадмиевых. Также проблемой для никель-металлогидридных аккумуляторов стала большая величина саморазряда – за сутки, без нагрузки, аккумуляторы данного типа умудрялись терять до 5% от своей емкости.Внешне аккумуляторы на основе никеля похожи на обычную батарейку соответствующего типоразмера с выходным напряжением 1,2 В.. Ni-MH аккумуляторная батарея для мобильного телефона представляет собой набор из необходимого количества элементов (обычно трех) соединенных последовательно. Эра активного использования никелевых аккумуляторов в мобильных телефонах закончилась на рубеже между XX и XXI веков и их, постепенно, вытеснили аккумуляторы на основе лития, которые мы рассмотрим в следующей статье.