Природа и производство энергии
Природа предлагает множество способов производства энергии. Большинство из них возникают через сгорание, механическое движение и фотосинтез, как в солнечной батарее. Генерация электрической энергии в батарее происходит в результате электрохимической реакции между двумя металлами разной сродственности. Под воздействием кислот между металлами возникает напряжение в рамках переноса ионов; замыкание цепи индуцирует ток. В 1800 году изобретатель Алессандро Вольта обнаружил, что потенциал напряжения становится сильнее, чем дальше движутся числа сродственности.
Лимонная батарейка
Самым простым проявлением батарейки является лимон. Вбивание оцинкованного гвоздя и медной монеты в лимон создаёт напряжение, но эта квазибатарея не даёт много энергии. Система подачи тока слабая, и любая электрическая нагрузка приводит к падению напряжения. Энергия исходит не от самого лимона, а от химического изменения растворения цинка в кислоте или лимонном соке. Рисунок 1 иллюстрирует лимонную батарейку.
Рисунок 1: Лимонная батарея. Электроды – цинк в форме оцинкованного гвоздя и медь в монете. Лимонный сок действует как электролит, вызывая химическую реакцию.
Элементы с наибольшим отрицательным потенциалом электрода служат катодами; те, у которых наибольший положительный потенциал, выполняют роль анодов. Разница между электродами обеспечивает напряжение на клеммах. Чтобы аккумуляторная батарея была практичной, химические реакции между элементами должны быть обратимыми. Ситуацию усложняет то, что реакции между соединениями не могут потреблять активные химические вещества без ограничений, что ограничивает количество соответствующих электродов.
Мощность и энергия
Умножение напряжения на силу тока обеспечивает мощность. Мощность измеряется в ваттах в честь Джеймса Уатта, разработчика парового двигателя XVIII века. Количество энергии, которое может хранить аккумулятор, выражается в ватт-часах (Вт·ч).
Все источники энергии имеют ограничения, и мощность нужно использовать осторожно, чтобы не вызвать перегрузку. Аналогией может быть велосипедист, который выбирает лучшее передаточное число для передачи мощности в движущую силу. На ровной дороге высокая передача обеспечивает высокую скорость с умеренным крутящим моментом на педалях, имитируя высокое напряжение. При подъеме на холм крутящий момент на педалях увеличивается, а скорость снижается. Усилие на педалях связано с крутящим моментом в ньютон-метрах (Нм); выносливость до усталости определяет энергию в ватт-часах (Вт·ч).
Рисунок 2: Аналогия с велосипедистом.
Энергия – это произведение мощности и времени, измеряется в ватт-часах (Вт·ч); мощность – это поток энергии в любой момент времени, измеряется в ваттах. Ёмкость аккумулятора измеряется в ампер-часах (А·ч), что показывает, сколько заряда может удерживать батарея. Как жидкость в контейнере, энергия может выделяться медленно в течение длительного времени или быстро за короткий срок.
Физические характеристики
Физические размеры определяют объём в литрах (л) и килограммах (кг). Сочетание размера и веса даёт удельную энергию в Вт·ч/кг, плотность мощности в Вт/л и удельную мощность в Вт/кг. Большинство аккумуляторов измеряются в Вт·ч/кг, что показывает, сколько энергии может генерировать заданный вес. Вт·ч/л обозначает ватт-часы на литр.
Аккумуляторы изготавливаются на заказ для конкретного использования, и производители хорошо понимают потребности клиентов. Рынки мобильных телефонов и электромобилей являются примерами различных подходов. В потребительских батареях делают акцент на малый размер, высокую удельную энергию и низкую стоимость, тогда как промышленные батареи ориентированы на надёжную работу и длительный срок службы. Безопасность во всех сферах применения имеет первостепенное значение.
