18 февраля ежегодно отмечается День батарейки. В этот день родился итальянский физик Алессандро Вольта – создатель первого в мире гальванического элемента, который стал прообразом современных электрических устройств. Ученые Пермского Политеха рассказали, как устроены батарейки и почему они со временем теряют заряд, какие из них подходят только для простых приборов, а какие запускают в космос, можно ли пользоваться батарейками после истечения срока годности и как их правильно утилизировать.

Ежедневно мы пользуемся множеством электрических приборов – пультом от телевизора, беспроводными мышами и клавиатурами, автомобильными брелоками, наручными и настенными часами, весами, тонометрами, механическими детскими игрушками, фонариками. Для того, чтобы они работали автономно, без необходимости подключения через кабель к розетке, нужно подобрать подходящий вид батареек. Эксперты помогли разобраться в отличиях и функционале этих незаменимых источников электрического тока.

Как работают батарейки

Внутри батарейки есть три вещества – одно выступает в роли отрицательно заряженного анода и представляет собой цинковый стаканчик или корпус устройства, другое в роли положительно заряженного катода – это стержень по центру, а третье – электролит (густая жидкая среда, по которой движутся ионы) – им заполнено все пространство между стенками и стержнем.

– На одном конце батарейки – аноде – возникает реакция окисления. Атомы металла отдают электроны и превращаются в положительные ионы. Электроны не могут пройти через электролит и движутся по внешнему контуру от анода «-» к катоду «+».Катод принимает электроны, и в нём происходит реакция восстановления. В то же время ионы внутри устройства перемещаются через электролит для обеспечения электрического баланса. В результате между катодом и анодом возникает разность потенциалов, то есть, напряжение, – объясняет кандидат технических наук, доцент кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» ПНИПУ Александр Семенов.

По мере разряда анод батарейки необратимо разрушается и теряет свои свойства, а катод покрывается слоем продуктов реакции. Когда исходные химические компоненты внутри элемента полностью истощаются, процесс замедляется настолько, что батарейка уже не способна создавать нужное напряжение для работы устройства.

– Необратимость этого процесса обоснована тем, что химическая реакция не имеет обратного хода, поэтому «зарядить» батарейку не получится. Также важно понимать, что каждая батарейка имеет собственное внутреннее сопротивление, которое обеспечивает медленные химические изменения, даже в условиях отсутствия электрической нагрузки. Такой процесс называют «саморазряд», – отмечает Александр Семенов.

Конечно, существуют и многоразовые аккумуляторы с возможностью подзарядки, в процессе которой химические вещества возвращаются в свое приблизительное исходное состояние. Но цикл заряда-разряда не бесконечен, так как в батарейке все равно ухудшается структура проводящих элементов.

Разные виды батареек получают свои названия как в честь веществ, используемых в качестве анода или катода, так и в честь электролитов.

Солевые батарейки

– Солевые (или угольно-цинковые) батарейки маркируют латинской буквой R на упаковке. Они являются самыми дешевыми из-за простоты изготовления и доступности материалов. В них используется цинковый анод, катод из диоксида марганца с графитом, а в качестве электролита — солевой раствор, – комментирует кандидат технических наук, доцент кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» ПНИПУ Николай Павлов.

У них высокий саморазряд и малая емкость (теряют 10–20% заряда в год и служат не более 3 лет). При низких температурах их работа ухудшается, а при интенсивном использовании они могут протечь.

– Их цинковый корпус в процессе разряда постепенно окисляется и портится. При высоких нагрузках в нем образуются микротрещины. Это опасно разрушением контактов прибора и химическими ожогами, – предупреждает ассистент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Никита Фаустов.

Предотвратить такой исход проще всего отказом от солевых батареек в мощных устройствах.

– Солевые батарейки лучше всего подходят для простых, маломощных приборов, которые потребляют небольшой и стабильный ток. Это часы, пульты, калькуляторы, светодиоды, радиопередатчики. В таких устройствах электролит дольше сохраняет свои свойства.Для всего, что требует большое количество энергии с периодичностью и долгими паузами в работе, нужны другие типы батареек, – советует Николай Павлов.

Щелочные батарейки

– Щелочные (алкалиновые) батарейки с маркировкой LR имеют катод из диоксида марганца, анод из цинкового порошка, а электролит из гидроксида калия. Их емкость в 1,5–10 раз больше, чем у солевых, в зависимости от режима работы – анод в виде порошка увеличивает площадь реакции, что позволяет устройству производить больший ток. Стандартные модели служат 5–7 лет, – рассказывает Никита Фаустов.

Еще одним плюсом щелочных батареек является их морозоустойчивость.

– Электролит, который используется в щелочных батарейках, в отличие от солевого или водного остается жидким при температуре до -20°C и не теряет своих электрических свойств. Но он является более дорогим и редким по сравнению с солевым раствором, – отмечает Николай Павлов.

Щелочные батарейки лучше всего подходят для устройств со средним и высоким энергопотреблением — тех, где есть моторчики, яркий свет или постоянная активная работа. Это фонари, электробритвы, портативные магнитофоны, фотоаппараты со вспышкой.

– Именно щелочные батарейки рекомендуется устанавливать внутрь детских игрушек. У них практически отсутствует газовыделение. Благодаря этому элемент можно делать полностью герметичным, что исключает риск протекания и делает их самыми безопасными в использовании, – советует Никита Фаустов.

Литиевые батарейки

– Литиевые батарейки можно узнать по маркировке CR. В них используются анод из графита, катод из кобальтита лития и органический электролит. Они являются самыми мощными среди одноразовых устройств и могут поддерживать стабильное высокое напряжение (1,5–3В) на протяжении долгого времени – до 12 лет, – говорит Никита Фаустов.

Как и щелочные, они работают при температуре до -20°C.

Литиевые батарейки являются самыми надежными, и их логично использовать в приборах, которые имеют неравномерное электропотребление (компьютерной технике, видеокамерах и гаджетах) или в устройствах, от работоспособности которых может зависеть жизнь человека (пожарных датчиках безопасности, медицинских аппаратах).

При этом существует ряд причин, по которым литиевые батарейки нельзя ставить во все приборы подряд.

– Их «плюсы» могут быть избыточными или даже вредными. Литиевые батарейки имеют стабильное напряжение, а затем резко перестают работать – без специального индикаторного оборудования сложно оценить «сколько им осталось». Кроме того, химические вещества, используемые в них, являются наиболее опасными для окружающей среды – их не рекомендуется устанавливать в устройства, с которыми контактируют дети. Корпус таких батареек имеет более сложные стандарты изготовления, что также добавляет проблем при утилизации, – делится Николай Павлов.

Серебряно-цинковые батарейки

В серебряно-цинковых батарейках (маркировка SR на упаковке) используется щелочной электролит, а вот в качестве анода и катода – серебро и цинк соответственно. Они поддерживают наиболее стабильное напряжение по сравнению с остальными устройствами.

– В процессе разряда оксид серебра на катоде превращается в металлическое серебро. Вместо того чтобы терять способность проводить ток, он наоборот становится все более и более проводящим. Это явление называется малой поляризацией и позволяет отдавать энергию при практически неизменном напряжении на протяжении всего срока службы, – объясняет Александр Семенов.

Благодаря этому свойству, а также устойчивости к низким температурам, такие устройства используют в космической аппаратуре – например, серебряная батарея стояла в первом искусственном спутнике Земли, запущенном СССР в 1957 году и питала его радиопередатчики в течение 21 дня.

– Благодаря уникальному сочетанию свойств, серебряно-цинковые батарейки идеально подходят для двух типов приборов. Во-первых, для высокоточной техники вроде кварцевых часов и слуховых аппаратов, которым жизненно необходимо стабильное напряжение (они держат ровные 1,55 В до самого конца разряда, не вызывая сбоев). Во-вторых, для устройств с кратковременными мощными нагрузками — брелоков сигнализаций, лазерных указок или игрушек с моторчиками, где требуется отдать резкий импульс тока без проседания напряжения, – говорит Никита Фаустов.

Можно ли использовать батарейки после истечения срока годности

– Просроченные батарейки со временем разгерметизируются, и электролит вытекает наружу. Это приводит к разрушению контактов и может навсегда испортить дорогое устройство. Особенно опасны солевые батарейки — у них цинковый корпус сам является электродом и постепенно разрушается изнутри. Кроме того, просроченные элементы питания постепенно начинают выделять токсичные газы, – предупреждает Никита Фаустов.

Лучше не рисковать ценной техникой и своим здоровьем – и не покупать батарейки впрок.

Как правильно утилизировать батарейки

– Для всех типов батареек и аккумуляторов действует единое правило: их нельзя выбрасывать в обычный мусор, а нужно сдавать в специальные пункты приема. Дальнейшая сортировка и переработка — задача заводов, где элементы питания проходят многоступенчатый отбор вручную, с помощью рентгена и нейросетей, после чего каждый тип перерабатывается по своей технологии. Например, солевые и щелочные батарейки измельчают, извлекают из них сталь и получают сырье для красок, а литиевые требуют обязательной предварительной разрядки, чтобы не воспламениться, – делится Никита Фаустов.

Искать контейнеры для сдачи проще всего в крупных сетевых магазинах, банках, подъездах и учебных заведениях, а также в специализированных экопунктах. Важно помнить, что выбрасывание батареек в обычный бак грозит штрафом по статье 8.2 КоАП РФ в размере от двух до трех тысяч рублей. Поэтому ваша задача — просто донести любую использованную батарейку или аккумулятор до ближайшего маркированного контейнера, а профессионалы сделают все остальное.