Как работают литий-ионные батареи?

Именно они вдыхают жизнь в ваши смартфоны.

Смартфоны существуют не так уж и долго — чуть больше десяти лет. Но эра мини-компьютеров, которыми по своей сути и являются все небольшие устройства под управлением Android и iOS, наступила во многом благодаря одной важной технологии — литий-ионным батареям.

Впервые в коммерческих устройствах такие батареи появились в 1991 году — Sony использовала литий-ионные аккумуляторы в своих видеокамерах. Впрочем, сегодня эта технология выходит далеко за рамки портативных гаджетов.

Литий-ионные аккумулятор лежат в основе также двух других технологий, способных изменить мир и привести к новой технологической революции. Именно они заставляют двигаться электромобили, у которых в будущем есть шанс вытеснить машины с двигателем внутреннего сгорания. А еще — хранят энергию, полученную от чистых и возобновляемых источников, как, например, в случае с катамараном с бесконечным запасом хода, о котором мы писали ранее.

Так, как все-таки работают эти батареи? Ученые и инженеры тратят всю свою жизнь на то, чтобы построить аккумуляторы еще лучше. Для этого физикам и химикам приходится изучать процессы на атомном уровне, а механикам и электрикам трансформировать эти знания в конечные физические батареи. Ученые находятся в постоянных поисках новых материалов для литий-воздушных, магниевых и, конечно, литий-ионных аккумуляторов.

Как все работает? Итак, давайте проследим за жизнью двух электронов — назовем одного Алекс, а другого — Джордж.

Анатомия АА-батареи

Алекс проживает внутри стандартной алкалиновой AA батарейки — такой, которую мы используем в пультах от телевизоров, фонариках и джойстиках для Xbox One. Внутри AA батареи имеется одно отделение, наполненное цинком, и второе — с оксидом марганца. С одной стороны цинк лишь слегка удерживает электроны вроде Алекса. А с другой — оксид марганца разгоняет электроны навстречу друг к другу. Останавливает же электроны специальная прокладка, пропитанная калием и водой, одновременно с позитивными калиевыми и негативными гидроксидными ионами.

 

Когда вы вставляете батарею в устройство и включаете его, Алекс вылетает из отделения с цинком, проходит по цепи в оксид марганца. Пока он движется из одной части в другую, батарея дает энергию. Однако, когда Алекс покидает отделение с цинком, он уже не может вернуться: цинк потерял связь электрона с гидроксидом, был сформирован оксид цинка. Обратного пути нет.

С другой стороны батареи оксид марганца получил атом кислорода из воды, сбалансировав поглощение гидроксида цинком. Суть в том, что, когда все электроны, вроде Алекса, покинут свое отделение с цинком и направятся к оксиду марганца, батарея перестанет работать — ее энергия кончится. В таком случае, вам следует купить новую. Ничего страшного — AA-батарейки стоят недорого.

Плюсы литий-ионных батарей

А что же Джордж? Он живет в литий-ионной батареи. Во многом она похожа на алкалиновую. Однако у нее есть несколько преимуществ, из-за которых разница между алкалиновой батареей и литий-ионной оказывается колоссальной.

Джордж живет в отделении, наполненном графитом, который удерживает электроны еще слабее, чем цинк. С другой стороны находится литий-кобальтовый оксид, который способен разгонять электроны намного сильнее, чем оксид магния. Поэтому в литий-ионной батарее намного больше энергии, чем в алкалиновой того же размера. Между графитом и литий-кобальтовым оксидом находится прокладка с позитивными литиевыми ионами, которая легко соединяет и разъединяет химические связи во время работы батареи и ее зарядки.

Литиевые ионы удерживают электроны, уравновешивая все химические элементы внутри. Джордж может вернуться обратно, в отличие от Алекса. Именно это позволяет литий-ионным батареям работать так долго и проходить через многочисленные циклы зарядки/разрядки.

Конечно, литий-ионные батареи не держат заряд бесконечно. К сожалению, они также теряют энергию со временем. Однако, именно литий-ионные аккумуляторы доминируют сегодня. И так будет до появления столь же дешевых, но еще более долговечных решений.

Смотрите также:

• Мои впечатления от iPhone XS Max. Топовый смарт, но есть минусы
• Стоит ли покупать iPhone XR в 2020 году

✅ Подписывайтесь на нас в Telegram, ВКонтакте, и Яндекс.Дзен.