Аккумуляторы — компактные хранилища энергии

Предлагаем вам почитать перевод статьи про аккумуляторы из шестого выпуска французского журнала Oneshot.

Что такое аккумулятор?

Прежде чем мы углубимся в историю аккумуляторных батарей, необходимо провести различие между ними и обычными батарейками, хотя некоторые из них имеют схожую конструкцию и служат одной и той же цели: запасать и делиться энергией.

Батарея  — это объект, способный преобразовывать химическую энергию в электрическую. Технически это преобразование основано на окислительно-восстановительной реакции (перенос одного или нескольких электронов между окисляющим и восстанавливающим реагентом).

Аккумулятор — это система, способная производить электрическую энергию из другого вида энергии (электростатической, электрохимической и т.д.). Он также может накапливать энергию для последующего использования.

Поэтому, в отличие от батарей, аккумулятор можно перезаряжать. Термин «перезаряжаемая батарея», который мы иногда видим и используем, является ошибочным, поскольку так называемые «перезаряжаемые» батареи на самом деле являются маломощными аккумуляторами.

История

У истоков создания аккумулятора, который мы знаем сегодня, стоят несколько ученых. В 1789 году врач Луиджи Гальвани открыл новое электрохимическое явление. По его мнению, мышечное сокращение лягушки при контакте с двумя разными металлами показывало, что в теле животного присутствует электричество. Оспаривая эту гипотезу, Алессандро Вольта считал, что именно два разных металла вырабатывают электричество при контакте с влажным проводником.

Открытие Луиджи Гальвани

Его исследования привели к изобретению первой электрической батареи в 1800 году. Иоганн Вильгельм Риттер в 1802 г. разработал первый аккумулятор Риттера, представляющий собой стопку медных и картонных дисков, пропитанных хлоридом натрия. Французский ученый Гастон Планте в 1859 г. разработал свинцово-кислотный элемент питания, самый первый перезаряжаемый электрический аккумулятор. С тех пор многие инновации и выбор материалов улучшили характеристики батареи, что привело к появлению аккумуляторов, которые мы знаем сегодня.

Современные аккумуляторы

Существуют различные виды аккумуляторов: свинцово-кислотные с кислотным или гелевым электролитом, как, например, наши автомобильные аккумуляторы. Кадмий-никелевые (CD-NI), никель-гидрид-металл (NI-MHI), никель-ионные (N-I), литий-ионные (Li-Ion) по размерам близкие к известным нам аккумуляторам.

В интересующей нас области электронных сигарет существует 2 основных семейства аккумуляторов: встроенные, которые нельзя менять (конечно,  речь про быструю замену без инструмента и наличия подходящего запасного элемента питания), и съемные, которые можно менять и заряжать, например, в специальном зарядном устройстве.

Встроенный аккумулятор

Встроенный аккумулятор имеет ряд преимуществ. Прежде всего, он прост в использовании, поскольку вам просто нужно зарядить его с помощью кабеля, обычно MicroUSB или все чаще Type-C, как вы это делаете с телефоном. Не нужно специального обращения с батареей и покупка внешнего зарядного устройства. Наконец, встраивание аккумулятора обычно экономит место и уменьшает размер устройства.

Большим недостатком встроенных аккумуляторов является устаревание устройства, так как после того, как батарея «устанет», придется менять все устройство.

Съемный аккумулятор

Съемный аккумулятор имеет несколько преимуществ. Во-первых, возможность замены только аккумулятора, а не всего устройства, когда срок его службы подойдёт к концу. В зависимости от использования и качества подзарядки этот показатель может составлять от 300 до 500 циклов, т.е. в среднем от 1 до 3 лет.

Второе преимущество, тот факт, что вы можете выбрать аккумулятор по его емкости (выраженной в миллиамперах/час) или по его току разряда (выраженному в Амперах, это максимальный ток, который может выдать аккумулятор). В зависимости от манеры вейпинга (высокое или низкое сопротивление) это может быть очень важно.

Третье преимущество: такое устройство позволяет иметь при себе запасной аккумулятор, а значит, можно «мгновенно подзарядить» свой вейп в случае отказа основного источника энергии.

Какие съемные батареи обычно используются в электронных сигаретах?

Подавляющее большинство батарей не производится специально для вейпов, поэтому следует выбирать те, которые лучше всего подходят для использования в электронных сигаретах. Литий-ионные батареи с напряжением около 3,7 В являются наиболее подходящими в этой области. Вы найдете батареи с обозначением IMR, INR… «I» означает литий, «R» — форму батареи (round — круглая), а буква посередине — используемый компонент: M — марганец, N — никель.

Их размер также варьируется, наиболее распространенный — 18650, но есть и меньшие, например 18350, или большие, например 21700 или 26650. Это непонятное число становится понятным, если знать, что первые 2 цифры соответствуют диаметру, а последние 3 — длине, все в миллиметрах.

Аккумуляторы будущего

Электромобили и мобильные телефоны — основные двигатели развития аккумуляторов

С ростом использования мобильного оборудования и появлением электромобилей, исследования в области аккумуляторов идут полным ходом. Различные технологии уже появились, скоро будут разработаны или изучаются в настоящее время. Вот наиболее перспективные из них.

Литий-серная батарея

Исследователи уже несколько лет работают над созданием литий-серных батарей. Эта технология будет в 6 раз эффективнее нынешних батарей, дешевле, экологичнее и проще в производстве. Однако пока существуют две основные проблемы:

• Сокращение срока службы аккумулятора из-за слишком быстрого износа серного электрода.
• Кристаллизация, образующаяся на металлических литиевых анодах, которая может вызвать короткое замыкание, пробивая барьер между положительным и отрицательным полюсами.

Современные исследования позволили изменить связи между частицами, составляющими серный катод, чтобы лучше управлять зарядами и повысить его устойчивость. Был подан патент, и в настоящее время проводятся испытания.

Осталось решить проблему дендритов (кристаллизации), чтобы получить аккумулятор, который заставит нас немного забыть о зарядных устройствах. Проводятся исследования новых рецептов электролитов для устранения роста этих дендритов.

Графен

Графен — монослой графита

Идея создания графеновых (двумерная модификация углерода в виде слоя углерода толщиной в один атом) батарей существует уже более 15 лет. Сегодня такие крупные компании, как Samsung или Huawei, принимают самое активное участие в его разработке. И это правильно, поскольку такая батарея будет иметь быструю зарядку, срок службы в 3 раза выше и повышенную безопасность. Например, элемент емкостью 3 000 мАч, использующий эту технологию, заряжается от 0 до 100% за 20 минут.

Твердотельные батареи

Уже применяемая в кардиостимуляторах с 1970-х годов, эта технология имеет много преимуществ перед литиевыми батареями, электролит которых является жидким и, следовательно, потенциально воспламеняющимся. Кроме того, у твердотельных батарей аноды могут быть изготовлены из металлического лития, а не из графита, что позволяет запасать на 60% больше энергии. Все это позволит создавать батареи меньшего размера с той же емкостью или большей емкости при том же объеме.

Твердотельный аккумулятор — это тип аккумулятора, электролит которого, расположенный между анодом и катодом, является твердым, исполнен в виде стеклянной пластины или геля. Это должно позволить обойтись без дорогостоящих металлов, таких как кобальт, который добывается в сомнительных с точки зрения этики, здоровья и экологии условиях. Уже разработано несколько прототипов, в частности, компаниями Hydro-Quebec, Panasonic, Samsung. Последняя также решила проблему образования дендритов на аноде во время зарядки с помощью наноматериала, состоящего из серебра и углерода.

Какое будущее аккумуляторов для вейпинга?

Возникает вопрос, будут ли эти новые технологии адаптированы к электронным сигаретам. Есть большая вероятность, что в ближайшем будущем появятся более мощные модели аккумуляторов, совместимые с нашими вейпами, и мы сможем наслаждаться гораздо большей автономностью, сверхбыстрой перезарядкой или увидеть появление устройств меньшего размера и веса. Но пока что для наших 18650 альтернатив нет, даже недавно появившиеся 20700 и 21700 пока остаются относительной экзотикой.

Источник: oneshotmedia.fr
Фото | kroix, Павел Котков, Car photo created by senivpetro — www.freepik.com