Фото iStock
Дрожащими руками вы достаете смартфон в минус 30, чтобы вызвать такси. Не успели вбить адрес, как экран гаснет и телефон больше не включается. «Как это так, — подумали вы. — Ведь он был заряжен на 50%». Вот если бы мобильный мог работать от щелочной батарейки бабушкиного телевизионного пульта, а не от литий-ионного аккумулятора, то проблем с вызовом такси удалось бы избежать. Почему? Все дело в крошечных носителях электрического заряда.
Аккумулятор мобильника и щелочная батарейка в пульте относятся к устройствам, преобразующим химическую энергию в электрическую. Главные действующие лица в этом преобразовании — окислитель и восстановитель.
Окислителями называют атомы, ионы или молекулы, которые при любом удобном случае жадно отбирают электроны у других атомов — восстановителей. Они, как щедрые благодетели, раздают свои электронные богатства окислителю в ходе химической реакции. Пока батарея не питает устройство, окислитель и восстановитель «ждут» на плюсе и минусе батарейки — ее контактах. Когда устройство начинает работать, запускается химическая реакция, и на контактах батареи возникает разность потенциалов (напряжение) — источник энергии для вашего гаджета.
В литий-ионном аккумуляторе восстановителем служит соединение лития с графитом (LiC6), а окислителем — оксид кобальта (CoO2). Атомы лития избавляются от своих электронов и оставляют их на отрицательном контакте аккумулятора, превращаясь в ионы Li+. По проводящей заряды жидкости (электролиту) они перетекают к положительному контакту и накапливаются на нем.
Обмен ионами длится, пока положительный контакт не зарядится настолько сильно, что начнет отталкивать одноименные заряды Li+, — это происходит при напряжении на батарее около 3,7 вольта. Когда контакты соединяются друг с другом через гаджет, заряды на них уменьшаются, и поток ионов лития возобновляется. Но когда восстановитель отдаст все электроны, движение опять прекратится, и смартфон попросит зарядку.
Как только вы подключаете гаджет к розетке или переносному источнику питания, напряжение на аккумуляторе взлетает до четырех с небольшим вольт, и все процессы в нем обращаются вспять. Стремясь избавиться от «усилившегося» положительного заряда, контакт «+» начинает выгонять из себя полученные недавно ионы лития. Они возвращаются на отрицательный контакт и вновь становятся частью восстановителя LiC6, готового жертвовать электроны. Так электрическая энергия из розетки превращается в химическую, которую можно «взять с собой».
Литий-ионные аккумуляторы не вечны: спустя много циклов они выходят из строя. Из-за многократных перемещений лития по электродам контактов они расширяются и сжимаются, со временем трескаются и перестают пропускать ток. На положительно заряженном электроде накапливается слой частиц, мешающий оттоку электронов.
В одноразовой щелочной батарейке окислителем служит диоксид марганца (MnO2), а щедрым восстановителем — цинк (Zn). Окислитель и восстановитель также взаимодействуют через «благотворительный фонд»-электролит: заряд переносят гидроксид-ионы (OH—), которые вместе с металлами образуют щелочи. Это отразилось в названии типа таких батареек.
Гидроксид-ионы присоединяются к цинку, забирают его электроны и передают их проходящему сквозь батарейку стальному стержню. Так на одном из контактов образуется отрицательный заряд. На противоположном контакте работает любитель чужих электронов — оксид марганца. Он забирает электроны из стального корпуса батарейки, заряжая его положительно. Попутно в электролите образуется новая порция отрицательно заряженных ионов OH— для последующего окисления цинка.
Когда весь цинк окислится или весь диоксид марганца восстановится до оксида, батарейка сядет навсегда. Если попробовать зарядить ее от внешнего источника тока, вода в составе щелочного электролита начнет распадаться на водород и кислород, которые тут же улетучатся или даже разорвут батарейку изнутри.
Ионы «плавают» в электролите не так свободно, как электроны в металле. Прокладывать дорогу через жидкость им помогает температура: чем она выше, тем «энергичнее» и быстрее молекулы. С падением температуры вязкость жидкости возрастает, и ионы в ней «вязнут». Тепло «размораживает» движение ионов, и они тратят меньше энергии на преодоление электролита. Вот почему внезапно «севший» на морозе смартфон в квартире может включиться без подзарядки и показать 50%, которые вы увидели перед выключением гаджета на улице.
Если заряд мобильника «растаял» при жаре, воскресить батарею не получится. При температуре аккумулятора выше 60 градусов его составляющие вступают в «нештатные» необратимые реакции друг с другом, и батарея портится навсегда.