Почему батареи бывают разных размеров и форм

Если вы недавно заглядывали в свой ящик с утилитами, вы, возможно, заметили различные формы, размеры и типы батарей, которые питают ваши электронные устройства.Во-первых, это круглые неперезаряжаемые батарейки-кнопки для часов и мелких предметов.Существуют также популярные цилиндрические батарейки АА и ААА для калькуляторов, часов и пультов дистанционного управления.Тогда у вас есть литий-ионные аккумуляторы в ваших ноутбуках и телефонах.И не забывайте про свинцово-кислотный аккумулятор в вашем автомобиле.

Я профессор, который изучает батареи и электрохимию.Чтобы понять, почему батареи продаются во многих разные размеры и формы – и служат многим целям – взгляните в прошлое, на то, как возникли батареи и как они развивались на протяжении многих лет.

Первые батареи были изготовлены в 1800-х годах и были довольно простыми.Одной из первых демонстраций стала серия металлических дисков, пропитанных рассолом, который, как обнаружил итальянский учёный Алессандро Вольта, создавал электрический ток.Первая свинцово-кислотная батарея была изготовлена ​​из несколько кусочков свинца в банке с серной кислотой.Современные версии ничем не отличаются.Их просто проще производить, и они содержат различные добавки для улучшения характеристик.

Во всех случаях батареи работают одинаково:Разница напряжений между двумя разнородными электродами создает электрический ток, который можно разряжать для питания устройства.Аккумуляторные батареи могут затем обратить этот ток для резервного заряда.Внутри батареи электрический ток сопровождается потоком ионов через жидкость – электролит.

Прохождение каждого электрона в токе сопровождается транспортом одного иона через электролит.Электроды, которые могут хранить больше ионов, позволяют создавать батареи, которые могут удерживать больше заряда и, следовательно, дольше работать без подзарядки.Электроды, предназначенные для более быстрого накопления ионов, позволяют создавать батареи, которые могут разряжаться быстрее для приложений с высокой мощностью.Наконец, возможность многократной зарядки и разрядки без деградации приводит к увеличению срока службы аккумуляторов.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Свинцово-кислотная батарея была первой перезаряжаемой батареей, изобретенной еще в 1859 году. Гастон Плант, который экспериментировал со свинцовыми пластинами в кислом растворе и обнаружил, что поток и накопление электрического тока можно обратить вспять.

Свинцово-кислотная батарея должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить достаточный заряд для запуска автомобиля.Он также должен быть пригодным для использования в холодном климате и прослужить много лет.Поскольку электролит представляет собой едкую кислоту, внешний корпус должен быть прочным, чтобы защитить людей и детали автомобиля от любого возможного вреда.Зная все это, становится понятно, что современные свинцово-кислотные аккумуляторы массивны и тяжелы.

Щелочные батареи

С другой стороны, бытовые устройства, такие как калькуляторы и цифровые весы, могут позволить себе использовать батареи меньшего размера, поскольку они не требуют большого количества заряда.В основном это неперезаряжаемые щелочные батареи, которые используются десятилетиями.Стандартизированные размеры ячеек: AAAA, AAA, AA, C и D, а также ячейки для кнопок и монет и многие другие.Размеры зависят от того, сколько заряда они хранят (чем больше батарея, тем больше она держит), а также от размеров устройств, которые они питают.

Иногда вы можете встретить щелочные батарейки прямоугольной формы, например, обычные 9-вольтовые батарейки. открыть внешний корпус и вы обнаружите, что это просто несколько цилиндрических ячеек, соединенных между собой внутри.Цилиндрические батареи существуют так давно и используются настолько широко, что компаниям просто не имеет смысла производить что-то другое – потребуются инвестиции для изменения производственных мощностей, чего они предпочли бы не делать.

Литий-ионные аккумуляторы

Никель-кадмиевые аккумуляторы были первыми широко используемыми аккумуляторами для бытовой электроники и пользовались популярностью до конца 20 века.Но у них были свои подводные камни.Кадмий очень токсичен, а батареи страдают от «эффекта памяти», что сокращает срок их службы.

На протяжении многих десятилетий литий изучался на предмет потенциального использования в перезаряжаемых батареях из-за его уникальных свойств легкого металла, который сохраняет много энергии.Сони прежде всего коммерциализировать литий-ионный аккумулятор в 1991 году.

Компания производила цилиндрические элементы, потому что их было проще всего изготовить.В 1990-е годы Sony производила множество видеокамер и кассет и, следовательно, располагала большим количеством оборудования для рулонное производство.Естественно было перепрофилировать это оборудование для производства рулонов аккумуляторных электродов, которые изготавливаются путем литья пленок на листы меди или алюминия и последующего свертывания их в цилиндр «желеобразного рулона».

Толстый корпус этих цилиндрические ячейки механически прочен, а для дополнительного уровня безопасности имеется клапан сброса давления.Очень быстро эти первые литий-ионные элементы завоевали рынок портативной электроники, особенно ноутбуков и мобильных телефонов, поскольку они хранили больше энергии и работали дольше, чем никель-кадмиевые аккумуляторы.

Факторы, влияющие на формирование аккумуляторов

Батареи изготавливаются определенных размеров и форм из соображений стоимости и технологичности, но в других случаях из-за устаревших производственных процессов.Рыночный спрос также играет роль.

Например, электромобили не получили распространения до тех пор, пока Tesla не начала производить автомобили с использованием цилиндрических литий-ионных аккумуляторных элементов, а не прямоугольных пакетов или призматических элементов, которые использовали другие производители электромобилей.Пакетные и призматические элементы можно упаковывать близко друг к другу, но поскольку цилиндрические элементы были уже производится серийно Что касается портативной электроники, Tesla смогла производить более дешевые электромобили в 2010-х годах.

Какие формы и размеры примут батареи в будущем, зависит не только от того, сколько энергии они хранят, но и от рыночной экономики – насколько легко сделать каждый тип элементов, сколько стоит их производство и для чего они используются. для.И эти факторы представляют собой сочетание инноваций и истории.