Батарейка: опасная энергия?

Наступает XIX век. Люди массово переезжают из деревни в города, постоянно возникает множество самых удивительных теорий, гипотез, изобретений. Появляется паровой двигатель, строятся железные дороги – мир, как на только что придуманном паровозе, катится в светлое будущее. И в этот момент на сцену истории выходит электричество. Ему суждено было радикально изменить жизнь всего человечества – сейчас без него практически невозможно представить себе ни одного действия обычного городского жителя. 

С этого момента изобретатели и учёные стали задумываться о накоплении и сохранении электрической энергии. Так появились батарейки – и за последний век с лишним уже разработано множество самых разных их типов. Зачастую можно услышать, что они очень опасны для всего окружающего. Какую угрозу они несут и несут ли – и как работают в принципе? Можно ли создать экологичную батарейку? Рассказываем в нашей статье. 

Батарейка, аккумулятор, столб или ваза? 

Первые батарейки появились в конце XVIII века – в пору, когда учёные и изобретатели обратили своё внимание на феномен электричества и стали активно его исследовать. Однако в истории человечества есть артефакты, которые указывают на то, что рукотворные источники электрического тока были известны людям и раньше. 

Багдадская батарейка, или орудие ювелира

1936 год, проходили очередные археологические раскопки в парфянском поселении близ Багдада. В один прекрасный день немецкий учёный Вильгельм Кёниг нашел жёлтую глиняную вазу, а внутри этой вазы – медный цилиндр, края которого были соединены оловянно-свинцовым сплавом. Горлышко вазы было запечатано битумом, с пропущенным через него железным прутом. Такие находки зачастую оседают в музеях под табличкой «предназначение неясно», однако археологу эта конструкция показалась слишком похожей на батарейку. И он предположил, что если её наполнить кислотой или щёлочью, то она может создать электрическое напряжение. 

Так и произошло: коллега Кёнига из США, профессор Перчински, создал точную копию находки, наполнил её 5-процентным винным уксусом и получил напряжение в 0,5 вольта. При следующих экспериментах различные исследователи получали напряжение от 0,8 до 4 вольт. 

Зачем древним людям могла быть нужна такая батарейка? Скорее всего, для гальванизации – то есть покрытия какой-либо поверхности металлом путём электролиза. Немецкий археолог Арне Эггебрехт, например, сделал 10 копий багдадской батарейки, взял солевой раствор золота и за несколько часов смог покрыть статуэтку египетского бога Осириса аккуратным и тонким слоем драгоценного металла. Так что первые батарейки, вполне возможно, были орудием ювелиров. 

Но всё-таки батарейка как носитель энергии – это уже знак нового и новейшего времени. И первым такую конструкцию придумал и собрал итальянский физик, граф Алессандро Вольта, в честь которого и названа единица измерения электрического напряжения. 

Батарейки могут быть живыми. Рассказываем об этом в статье «Зелёная батарейка»

Вольтов столб как причина графского титула

Прообраз современной батарейки появился вместе с XIX веком, которому суждено было стать временем Первой и Второй промышленных революций. В 1800 году вышеупомянутый Алессандро Вольта, изучив и проанализировав работы и опыты итальянского врача Луиджи Гальвани, разработал так называемый «вольтов столб». 

Учёный сложил в стопку высотой приблизительно полметра пластинки цинка и меди, проложил их сукном, смоченным в растворе серной кислоты, приложил руки к концам этого столба и получил достаточно сильный удар электрического ток. Таким образом,  ученый смог подтвердить на собственном примере образование электрического тока в подобной конфигурации. Кстати, впоследствии за это изобретение Алессандро Вольта получил от Наполеона титул графа. А уже три года спустя русский физик-экспериментатор Василий Петров создал самый мощный на тот момент вольтов столб, развивавший напряжение до 1700 вольт и созданный из 4200 медных и цинковых пластинок.

Что же касается первых знакомых нам компактных батареек, то они появились к началу XX века – у известных и на сегодняшний день производителей Energizer и Duracell.

Батарейки сейчас

Как это работает? 

Батарейка – это источник электрического тока. Для того, чтобы он появился, внутри небольшой всем известной конструкции происходит следующее: два металла или их оксида реагируют друг с другом, находясь в среде, которая может проводить ток и называется электролитом. Вследствие этой реакции появляется электрический ток. 

Когда реагенты в батарейке заканчиваются, то прекращается и выработка электричества – так работают обычные батарейки. Однако есть конструкции, которые могут преобразовывать электрическую энергию от внешнего источника тока в химическую, накапливать ее, а потом уже преобразовывать снова в электрическую. Это аккумуляторы – те самые, что стоят и в телефонах, и в умных часах, и в ноутбуках, и в автомобилях.  

Сейчас мы чаще всего сталкиваемся с четырьмя типами аккумуляторов: свинцово-кислотными, никель-кадмиевыми, никель-металлгидридными и литий-ионными. На последних мы остановимся отдельно – эта электрохимическая схема поистине совершила революцию и изменила мир. 

Литий-ионные аккумуляторы

Изобретение литий-ионных аккумуляторов – это одно из самых важных событий в области развития переносимой электроники. Той самой, которая нас всех окружает. Это ноутбуки, беспроводные мыши, умные часы и смартфоны и так далее. 

Первый литий-ионный аккумулятор появился в 1991 году – его разработал японский учёный-химик Акира Ёсино. Эта работа стала результатом многолетних попыток исследователей из разных стран создать аккумулятор на основе лития. К этому металлу в компанию для реакции пытались добавить самые разные вещества, например, сульфид титана. Однако идеальным спутником лития для выработки тока оказался кобальт. На него очень долгое время не обращали особого внимания и добычей целенаправленно не занимались – разве что с древности его употребляли для получения красителя глубокого, очень красивого, синего цвета. Однако на сегодняшний день количество заказов на кобальт превышает объём продаваемого металла в пять раз. И более половины от этого объёма идёт именно на на производство аккумуляторов. 

Тонкие и эффективные литий-ионные аккумуляторы буквально перевернули рынок бытовой электроники. Они прекрасно отдают ток, выдерживают большое число циклов заряд-разряд, обслуживать их не нужно. Их ставят не только в бытовую электронику – всё чаще литий-ионные аккумуляторы можно встретить в электромобилях, которые со временем должны заменить машины с двигателем внутреннего сгорания и избавить человечество от вредных углеводородных выбросов. Но так ли всё радужно? 

Предать земле нельзя утилизировать: где запятая? 

Практически в любом современном супермаркете мы можем увидеть контейнеры, куда можно сдать использованные батарейки. Наверное любой человек слышал, что батарейки нельзя выкидывать просто так – они вредят природе и загрязняют окружающую среду. Но чем небольшие элементы питания вредят природе? Как их утилизируют – и возможно ли это в принципе? 

Осторожно: яд!

Привычная нам батарейка – совсем небольшое устройство. Однако всего лишь одна такая батарейка, попав на свалку, начнёт разрушаться и отравит 20 квадратных метров почвы вокруг себя. Если рядом окажутся грунтовые воды – она сможет выделить столько ядов, что отравит около 400 литров воды. Вещества, из которых состоит батарейка, очень полезны для производства энергии – и очень вредны для всего живого. Вдобавок батарейки ещё и взрывоопасны –  лёгкая искра может привести к большому пожару. 

Утилизация батареек

Главная опасность при утилизации батареек – это как раз человеческая безалаберность. За последние годы люди научились качественно их перерабатывать. Стандартизированные батарейки и аккумуляторы спокойно подлежат утилизации – свинец отделяют от пластика, электролит обезвреживают, и свинцовый лом идёт в дальнейшую переработку. Доля вторсырья в структуре новых элементов в итоге достигает целых 80 процентов. 

Наиболее распространённой является следующая технология. Металлическую оболочку измельчают, а оставшиеся соли цветных металлов сортируют – и пускают в дальнейшее производство. Некоторые батарейки, более того, ещё и восстанавливают – в некоторых случаях при потере устройством ёмкости и заряда все электрохимические характеристики можно вернуть на круги своя. Так что основная проблема свинцово-кислых или никель-кадмиевых аккумуляторов – сугубо человеческая дисциплина. А вот с литий-ионными аккумуляторами дело внезапно обстоит сложней. 

Литий-ионные аккумуляторы: призрак катастрофы

Первой проблемой литий-ионных аккумуляторов является их первая часть – литий. Для такой батарейки нужен литий очень высокой очистки. Больше всего этого металла сейчас добывают в странах Африки и в Чили. И для получения тонны лития нужно либо 250 тонн горной породы, либо 750 тонн солевого раствора, добываемого на солончаках. Причём в случае второго способа для получения той же тонны металла придётся испарить 1900 тонн пресной воды. Зачастую фермеры в Чили вынуждены ввозить пресную воду из других стран – своя вся уходит на литий. Литий можно очистить от примесей только химическим путём. Поэтому ни породу, ни солевой раствор после извлечения оттуда металла использовать никак нельзя. 

Вторая проблема ещё более серьёзна. Литий-ионные аккумуляторы до сих пор практически невозможно утилизировать – и невозможно пустить во вторичную переработку. Дело в том, что перед утилизацией такой аккумулятор нужно разобрать – он состоит из нескольких аккумуляторов поменьше, которые склеены между собой. У разных производителей ожидаемо разное количество ячеек в аккумуляторах, разный их размер и разный же клей. Роботизировать этот процесс невозможно – для робота нужна стандартизированная, одинаковая по всем параметрам батарейка.

Третья проблема – ни сжигание, ни химическая очистка не могут дать сырья для вторичной переработки: литий из этого процесса выходит «грязным» и с огромным количеством примесей. А значит, вторичная батарейка получится в разы, если не на порядок, дороже новой. 

В 2020 году было продано 3 миллиона электромобилей – что даёт 750 тысяч тонн неутилизируемых литий-ионных аккумуляторов к 2035 году. По прогнозам аналитиков, мировой парк электрокаров к 2030 году составит 145 миллионов штук – а это ещё 580 миллионов тонн аккумуляторов, уже к 2045 году. И далее количество их будет разрастаться по экспоненте – так что призрак изрядной экологической катастрофы вполне уже маячит на горизонте. 

Чем будут питаться автомобили через сто лет? Рассказываем в нашей статье «Автомобили будущего» 

Однако не всё настолько плохо – при увеличении количества отработанных аккумуляторов перерабатывать их на определённом этапе станет выгодно. А значит, исследования, которые ведут учёные по всему миру, найдут своё применение. Уже сейчас разрабатываются стандарты производства будущих батареек, которые позволят упростить и роботизировать процесс их разборки. К тому же, запасы что лития, что кобальта не бесконечны – а значит, человечество так или иначе придумает технологию повторной переработки этих металлов. 

Батарейка будущего

А пока что поиск идеальной батарейки, маленькой, но способной питать энергией целые города, продолжается. Возможно, такой источник энергии смогут найти наши внуки, для которых пальчиковые батарейки нашей эпохи будут казаться какими-то непонятными устройствами. Рассказать потомкам о том, как все работала в нашем мире, поможет цифровая капсула времени. Ведь самое ценное, что достанется будущим поколениям – это не сухие исторические справки, а живые рассказы о быте, о людях и о поисках чистой энергии, которые человечество ведет уже несколько веков.