Жаңа энергетика саласы соңғы уақытта қарқынды дамып келеді. Бүгін біз батареялар мен ұялы телефон батареяларының дамуы мен жұмыс істеу принциптері туралы айтатын боламыз.

1. Аккумулятордың жұмыс істеу принципі

Химиялық энергияны, жарық энергиясын, жылу энергиясын т.б. тікелей электр энергиясына айналдыра алатын құрылғыны аккумулятор деп атайды. Оған химиялық батареялар, ядролық батареялар және т.б. кіреді және әдетте батареялар деп атайтын нәрсе әдетте химиялық батареяларға жатады.

Практикалық химиялық батареялар бастапқы батареялар және аккумуляторлар болып бөлінеді. Біздің күнделікті өмірімізде кездесетін батареялар негізінен аккумуляторлар. Қолданар алдында батареяны зарядтау керек, содан кейін оны зарядсыздандыруға болады. Зарядтау кезінде электр энергиясы химиялық энергияға айналады; разрядтау кезінде химиялық энергия электр энергиясына айналады.

Батарея зарядсызданған кезде ток сыртқы тізбек арқылы оң электродтан теріс электродқа ауысады. Электролитте оң иондар және теріс иондар сәйкесінше электродтарға, ал ток теріс электродтан оң электродқа беріледі. Батарея заряды таусылған кезде екі электрод химиялық реакцияға түседі, ал тізбек ажыратылады немесе химиялық реакция пайда болады. Материал таусылған кезде разряд тоқтайды.

Батареяның ішінде қолданылатын материалдарға байланысты батарея қайта зарядталатын немесе қайта зарядталмайтын болуы мүмкін. Кейбір химиялық реакциялар қайтымды, ал кейбіреулері қайтымсыз.

Батареяның сыйымдылығы мен жылдамдығы оның материалына байланысты.

2 Ұялы телефон батареяларының шығу тарихы

Ұялы телефон батареяларын негізінен үш кезеңге бөлуге болады: Ni-Cd батареясы → Ni-MH батареясы →

Осы үш кезеңнің атауларынан аккумуляторларда қолданылатын негізгі химиялық элементтердің өзгеріп жатқанын, аккумуляторларда технологиялық жаңалықтардың көбірек болғанын көреміз. Тіпті литий батареялары болмаса, бүгінде мобильді смарт өмір болмас еді деп айта аламыз.

Ұялы телефондар алғаш рет 1980 жылдары пайда болған кезде оларды «ұялы телефондар» деп те атады. Атауынан оның орасан зор екенін аңғарамыз. Оның үлкен болуының басты себебі – оның үлкен батареясы.

1990 жылдары Ni-MH батареялары пайда болды, олар кішірек және экологиялық таза. Motorola-ның жұлдызды өнімі StarTAC никель-металл гидридті аккумуляторларды пайдаланады, олар адамдардың қабылдауын бұзу үшін жеткілікті кішкентай. 328 жылы шыққан StarTAC1996 салмағы небәрі 87 грамм болатын әлемдегі алғашқы флип телефоны болды.

1990 жылдардың басында литий батареялары да пайда болды. 1992 жылы Sony өз өнімдеріне өзінің литий батареясын енгізді, бірақ жоғары баға мен тамаша қуаттың болмауына байланысты оны тек өз өнімдерінде қолдануға болады. Кейіннен, литий батареялары материалдарының технологиялық инновациялары мен өндіріс технологиясының прогрессімен оның сыйымдылығы мен құны жақсарып, бірте-бірте көптеген өндірушілердің пайдасына ие болды. Литий батареяларының дәуірі ресми түрде келді.

Литий батареясы және Нобель сыйлығы

Ұялы телефондарды ауыстыру қарқынды дамып келе жатқанымен, ұялы телефон батареяларының дамуы салыстырмалы түрде баяу. Сауалнама деректеріне сәйкес, аккумуляторлардың сыйымдылығы әр 10 жыл сайын тек 10%-ға артады. Ұялы телефон батареяларының сыйымдылығын қысқа мерзімде айтарлықтай арттыру іс жүзінде мүмкін емес, сондықтан ұялы телефон батареяларының өрісі де шексіз мүмкіндіктерге және әлеуетке ие.

Химия бойынша 2019 жылғы Нобель сыйлығы литий батареялары саласындағы жұмыстары үшін профессор Джон Гуденоф, Стэнли Уиттингем және доктор Акира Йошиноға берілді. Шын мәнінде, жыл сайын жеңіске жеткенге дейін кейбір адамдар литий батареяларының жеңетінін болжайды. Литий батареяларының прогрессі қоғамға үлкен әсер мен үлес қосады және олардың марапаттары лайықты.

1970 жылдардағы Таяу Шығыстағы соғыстың бірінші мұнай дағдарысы адамдарды мұнайға тәуелділіктен құтылудың маңыздылығын түсінуге әкелді. Жаңа энергия көздерін енгізу мұнайды алмастыра алады. Сондай-ақ ынталы елдер аккумуляторларды зерттеу мен дамытуда жаңа биіктерге қол жеткізді. Мұнай дағдарысының әсерінен ол баламалы энергетика саласына үлес қосуға үміттенеді.

Үлкен жарылыстың алғашқы бірнеше минуттарында пайда болған ежелгі элемент ретінде литийді алғаш рет 19 ғасырдың басында швед химиктері литий иондары түрінде ашты. Ол өте реактивті. Оның әлсіздігі реактивтілігінде, бірақ бұл оның күшті жақтарында.

Таза литийді аккумуляторды зарядтау үшін анод ретінде пайдаланған кезде литий дендриттері түзіледі, бұл батареяда қысқа тұйықталуға, өртке немесе тіпті жарылысқа әкелуі мүмкін, бірақ зерттеушілер литий батареяларынан ешқашан бас тартқан емес.

Үш Нобель сыйлығының лауреаты: Стэнли Уиттингем сыртқы электрондарды шығару үшін литийдің қуатты жетегі арқылы 1970 жылдардың басында бөлме температурасында жұмыс істейтін бірінші толық жұмыс істейтін литий батареясы болды;

Уиттингемнің аккумуляторы екі вольттан сәл артық өндіре алады. 1980 жылы Гуденоу катодта кобальт литийін қолдану кернеуді екі есе арттыратынын анықтады. Ол аккумулятордың әлеуетін екі есе арттырды, ал жоғары энергия тығыздығы бар катод материалы өте жеңіл, бірақ ол күштірек аккумулятор жасай алады. Ол пайдалырақ батареяларды әзірлеу үшін жақсы жағдай жасады;

1985 жылы Акасе Йошино алғашқы коммерциялық роботты жасады. Ол катод ретінде Гуденьюф пайдаланған литий кобальт қышқылын таңдады және аккумулятордың теріс электроды ретінде литий қорытпасын көміртегімен сәтті ауыстырды. Ол тұрақты жұмысы, жеңіл салмағы, үлкен сыйымдылығы, қауіпсіз ауыстыруы және өздігінен жану қаупін айтарлықтай төмендететін литий батареясын жасады.

Олардың зерттеулері литий батареяларын сансыз электронды өнімдерге итермелеп, заманауи мобильді өмірден ләззат алуға мүмкіндік берді. Литий батареялары сымсыз, қазбалы отынсыз жаңа қоғам үшін қолайлы жағдайлар жасап, адамзатқа үлкен пайда әкелді.

Технология ешқашан тоқтамайды

Ол кезде зарядтауға 10 сағат, сөйлесуге 35 минут кететін болса, қазір ұялы телефондарымыз үнемі қайталанып отырады. Бұрынғыдай ұзақ уақыт бойы зарядтау мәселесіне ұшырамаймыз, бірақ технология ешқашан тоқтаған жоқ. Біз әлі де үлкен сыйымдылық, шағын өлшем және батареяның ұзақ қызмет ету жолын зерттеп жатырмыз.

Әлі күнге дейін литий батареяларының дендрит мәселесі зерттеушілерді елес сияқты мазалап жүр. Қауіпсіздікке қатысты осы үлкен қауіпке тап болған бүкіл әлем ғалымдары әлі де көп жұмыс істеуде. 90 жастағы Нобель сыйлығының иегері Гуденоф өзін қатты денелі батареяларды зерттеу мен дамытуға табанды түрде арнады.

Досым, жаңа энергия туралы не ойлайсың? Батарея саласының болашағына сіздің болжамыңыз қандай? Болашақ ұялы телефондардан қандай үміт күтесіз?

Талқылау үшін хабарлама қалдыруға қош келдіңіз, қара тесік туралы ғылымға назар аударыңыз және сізге қызықты ғылым әкеліңіз.