Технологический прогресс регулярно набирает обороты вскоре после крупного прорыва. Не так с электричеством. Электроэнергия была открыта около 1600 года нашей эры (или раньше). В то время никто не знал, что с ним делать, кроме как создавать искры и экспериментировать с подергиванием лягушачьих лапок. Металлическое покрытие с помощью электролиза началось только в 1800-х годах. Но вскоре после этого первая электрическая лампа питалась от первичной батареи с помощью угольных электродов. Когда в середине 1800-х годов была обнаружена связь с магнетизмом, были изобретены генераторы, которые производили постоянный поток электричества. Затем последовали двигатели, которые обеспечили механическое движение, а лампочка Эдисона, казалось, победила тьму.

Изобретение электронной вакуумной лампы в начале 1900-х годов стало значительным следующим шагом на пути к высоким технологиям, позволившим использовать генераторы частоты, усиление сигналов и цифровое переключение. Это привело к радиовещанию в 1920-х годах и позволило создать первый рабочий цифровой компьютер (ENIAC) в 1946 году. Открытие транзистора в 1947 году проложило путь к интегральной схеме десятью годами позже. Наконец, микропроцессор открыл век информации и произвел революцию в нашем образе жизни.

В то время как большие первичные батареи существуют уже 200 лет, никель-кадмиевые герметичные никель-кадмиевые батареи в том виде, в каком мы их знаем сегодня, ровесники транзистора (1947 г.). В то же время батареи стали очень важным источником энергии, и спрос на них неуклонно растет.

В 2000 году общее количество энергии, потребляемой батареями портативных компьютеров и мобильных телефонов во всем мире, оценивается в 2 500 мегаватт. Давайте проведем небольшое сравнение мощности с различными видами транспорта с самого начала до сегодняшнего дня.


3000 г. до н.э.
350 г. до н.э.
1800 г. н.э.
1837 г. н.э.
1900 г. н.э.
1969 г. н.э.
1974 г. н.э.

Бык тянет груз
Вертикальное водяное колесо 
Модернизированный паровой двигатель Ватта
Морской паровой двигатель 
Железнодорожный паровой двигатель
Реактивный самолет Боинг 747
Атомная электростанция

0,5 л.с.
3 л.с. 
40 л.с. 
750 л.с. 
12000 л.с. 
100000 л.с. *
1520 000 л.с.

* Мощность двигателя измеряется в (л.с. или кВт), а реактивная тяга - в фунтах, кН. Крейсерскому Боингу 747 требуется тяга в 55145 фунтов (245 295 Н). Это относится к 87 325 л.с. или 65 000 кВт. При взлете самолет развивает полную тягу в 219 000 фунтов (973 кН) при требуемой мощности 105 000 л.с. или 78 300 кВт.

Аккумуляторная батарея и большой реактивный самолет Boeing 747

Путешественники испытают волнующий взлет гигантского реактивного самолета. Полностью загруженный в 400 тонн Boeing 747 требует 90 мегаватт (МВт) энергии, чтобы подняться в воздух. Это относится к 120 000 лошадиных сил (л.с.). Потребление энергии во время круиза снижено наполовину, или 45 МВт (60 000 л.с.). Глобальный заряд аккумуляторов, потребляемых мобильными телефонами и ноутбуками, может удержать в воздухе 56 самолетов Boeing 747. 

Могучий океанский лайнер весом 81 000 тонн и длиной более 300 метров (1000 футов) приводился в движение четырьмя паровыми турбинами мощностью 160 000 л.с. Энергия, потребляемая во всем мире мобильными телефонами и ноутбуками, могла бы обеспечить питание 20 кораблей Queen Mary с 3000 пассажирами и экипажем на борту, движущихся со скоростью 28,5 узлов (52 км / ч). Queen Mary была спущена на воду в 1934 году и сейчас является музеем в Лонг-Бич, Калифорния.

Двигатель мощностью 275 л.с. (200 кВт) приводит в движение внедорожник или большой автомобиль. Средний семейный дом рассчитан на потребление 20 кВт. У большого транспортного средства достаточно мощности, чтобы обеспечить электроэнергией 10 домов и удовлетворить потребности в пиковом токе. Это очень важно, если учесть, что в большинстве автомобилей есть только водитель.

Активному человеку требуется 3500 калорий в день, чтобы оставаться в форме, что соответствует примерно 4000 ватт за 24 часа (1 калория пищи = 1,16 ватт-час). Путешествуя пешком, человек преодолевает около 40 км в день (25 миль). На рисунке 1 мы сравниваем энергию на пассажиро-километр для загруженного Boeing 747, бывшего океанского лайнера Queen Mary, экономного внедорожника и здорового человека на велосипеде и пешком. Цифры приблизительные. 

Рисунок 1: Энергетические потребности различных видов транспорта. Воздушные перевозки требуют наименьшего количества энергии на пассажиро-километр с точки зрения механизированных перевозок. Лодка становится работоспособной для тяжеловесных грузов. Абсолютно наименьшая потребность в энергии - это человек на велосипеде
___________________ 
* 4,186 джоулей требуется для повышения температуры 1 г воды на 1 градус Цельсия.

 

Как обстоят дела с новым химическим составом батарей?

Литий-ионный - лучший вариант для портативных приложений. Среди самых популярных литий-ионных аккумуляторов - цилиндрические элементы 18650 и различные призматические элементы в металлическом корпусе. 

Литий-ионный полимер хорошо подходит, когда геометрия элемента должна быть менее 4 мм или когда требуются специальные пакеты. Пакеты из литий-ионно-полимерных аккумуляторов высокой мощности позволяют удобно складывать их друг в друга, чтобы создать мощный и компактный аккумулятор с оптимальным распределением пространства. Однако есть надбавка к цене. Литий-ионный полимер стоит примерно на 10% дороже, чем литий-ионный, без увеличения емкости. При штабелировании ячеек пакета необходимо учитывать некоторое распределение места для набухания. 

Литий-ионные испытания в медицинских приборах и гибридных автомобилях дают неоднозначные результаты. Основные препятствия - короткий срок службы и высокая цена. Эти рынки по-прежнему будут обслуживаться более прочными и дешевыми свинцовыми и никелевыми батареями. 

На горизонте нет нового химического состава аккумуляторов, который заменит классический свинцово-кислотный для рынков автомобилей и колесной техники. Свинцово-кислотный продукт зрелый, а производственные затраты низкие. Свинцово-кислотные аккумуляторы со спиральной намоткой, технология, аналогичная свинцово-кислотному оборудованию с регулируемым клапаном, и абсорбирующий стеклянный мат (AGM) постепенно заменяют залитый автомобильный аккумулятор в высокопроизводительных приложениях. Опять же, эти более совершенные батареи имеют надбавку к цене, но более длительный срок службы окупит вложения.