Металло-воздушные источники тока

Сегодня основная сила научной и коммерческой мысли направлена в сторону эволюции аккумуляторных технологий для мобильного хранения электричества. А вот батарейкам уделяется уже куда меньше внимания… Хотя и у них есть очень интересные векторы развития, где они гораздо перспективнее любых аккумуляторов!

Энергия без розетки, бензина и даже без... лития

Каким должен быть аварийный или полевой источник тока, рассчитанный на работу в чрезвычайной ситуации на гражданке или даже в зоне боевых действий? Позволяющий организовать освещение, питание и зарядку средств связи, зарядку батарей беспилотных летательных аппаратов и т.п.?

Генераторы с двигателями внутреннего сгорания хороши, мощны, но шумят, греются и требуют топлива, которого в экстремальных обстоятельствах часто просто нет и взять негде. Различные термогенераторы на элементах Пельтье или термопарах тоже всерьез воспринимать нельзя — костер для них не разведешь в квартире, окопе, в полевых условиях, где нет дров — в пустыне или высокогорье…

Современные аккумуляторы всем хороши — позволяют накапливать огромное количество энергии и высвобождать ее, в том числе и с мощной токоотдачей, но после исчерпания заряда и при отсутствии внешних источников подзарядки они превращаются в мертвый (и весьма тяжелый) груз.

Поэтому во многих ситуациях необходим не аккумулятор или генератор, а батарея, производящая ток самостоятельно, а не просто являющаяся промежуточным накопителем. Но при этом не отправляющаяся на свалку после вырабатывания содержимого, как бытовые батарейки, а способная быстро начать работать снова, с минимальным перерывом и без использования энергии извне! Такое умеют металло-воздушные химические источники тока. Или, по-простому, металло-воздушные батареи (МВБ).

Но, прежде чем начать нашу историю, небольшая минутка занудства…

В народе принято считать, что аккумулятор перезаряжаемый, многоразовый, а батарейка одноразовая. Но сам по себе термин «батарея» не является характеристикой типа источника тока! Батарея — это просто электрическая цепь из нескольких химических источников тока, нескольких элементов в одном корпусе. И батареей может быть как группа многоразовых аккумуляторов, так и группа одноразовых батареек. А то, что мы привыкли называть одноразовыми батарейками, — это гальванические элементы. Или батареи гальванических элементов, если их несколько.

Например, полуторавольтовая батарейка АА — это одиночный гальванический элемент. А девятивольтовая батарейка «Крона» — это батарея из последовательно соединенных шести полуторавольтовых ячеек, небольших гальванических элементов. Соответственно, одна литий-ионная ячейка популярного стандарта 18650 — это аккумулятор. А то, что мы вставляем в шуруповерт, — это аккумуляторная батарея.

Примем это к сведению и в дальнейшем будем для простоты оперировать не вполне грамотными, но простыми и краткими терминами «аккумулятор» и «батарея», подразумевая под ними многоразовый и одноразовый химические источники тока. МВБ у нас будет считаться батареей. Формально одноразовой, но с нюансами.

Истоки и предпосылки

Технология металло-воздушных батарей достаточно старая. Известная как минимум с середины ХХ века. Но, как ни странно, до сих пор недооцененная. Хотя и представленная в некотором количестве коммерческих изделий и изделий спецназначения.

Первые такие батареи для бытового применения делала еще General Electric в 60-е годы. В позднем СССР и в постсоветский период в нашей стране также производилось несколько моделей МВБ, как бытовых, так и профессиональных — например, для шахтерских фонарей. На рубеже веков, в конце 1990-х — начале 2000-х, имел место некий ренессанс интереса к таким источникам тока — в основном конверсионного характера, когда военные заводы и разные НИИ пытались наладить какое-то производство в формате товаров народного потребления.

Основная идея и достоинства МВБ — быстрая и легкая перезарядка без подведения тока извне (без электросети 220 вольт, генераторов, иных источников), с помощью дешевых и безопасных расходников. Которые, к слову, в ряде случаев можно вообще найти на свалке!

Но, к сожалению, векторы развития экономики в те годы не позволили осуществить государственное финансирование доведения исследований до стадии крупносерийных продуктов. Коммерсанты, увлеченные всевозможными «айфонами», тоже этим не интересовались. Однако у технологии металло-воздушных батарей по-прежнему видятся широкие перспективы в формате применения их в качестве резервных источников питания для граждан, живущих в зоне боевых действий или в районах, пострадавших от катастроф природного или техногенного характера. А еще для тех, кто нуждается в надежном и простом источнике энергии вдали от цивилизации: спасателей, егерей, путешественников, охотников-рыбаков.

Как устроена МВБ

Любой гальванический элемент (как одиночный, так и в составе батареи) — это два электрода (анод и катод), между которыми находится электролит. И даже у самой химически сложной батарейки принцип действия в общем и целом почти такой же, как и у всем известного детского учебного источника тока в виде двух электродов из разных металлов, воткнутых в апельсин.

Собственно, недалеко ушли от этого принципа и металло-воздушные батареи. Большинство из них представляют собой пластиковый контейнер с жидким электролитом, в который погружены два электрода: катод и анод. Анод (минусовой вывод) — погруженная в электролит металлическая пластина. А катод... вот с ним посложнее! Это достаточно сложная по структуре углеродная нанопластина, которая не только служит плюсовым выводом, но и конструктивно является одной из стенок контейнера.

Сделано так для того, чтобы через катод внутрь аккумулятора мог бы поступать воздух из атмосферы. Сложность же устройства катода заключается не только в умении пропускать воздух внутрь, но и в способности не выпускать наружу электролит — то есть, по сути, он обладает мембранными свойствами. Вдобавок он содержит разные «усилители» химической реакции типа кобальтита лития и т.п. Но в целом ничего ультрасложного и, главное, дорогого в катодах нет. Тем более что они, в отличие от анодов, при работе батареи не расходуются.

В 1919 году, по решению Главного военно-инженерного управления Красной армии в Москве была организована небольшая мастерская по разработке и производству гальванических элементов и батарей для военных нужд. Сегодня она называется НПП «Квант» и входит в состав «Роскосмоса». Лет пятнадцать назад в «Кванте» еще занимались разработкой МВБ с прицелом на их гражданский выпуск, но в итоге эти работы были свернуты…

Секрет работы

Металло-воздушные батареи — это, повторимся, не аккумуляторы. Они не хранят закачанную в них извне энергию, а генерируют ее самостоятельно. И по этой причине они условно одноразовые — при работе металлический анод планомерно растворяется в электролите до полного исчезновения, превращаясь в гидрооксид. После чего батарея прекращает работу.

Но с практической точки зрения важно другое — то, что рабочий цикл батареи пользователь может быстро и дешево восстановить, самостоятельно вставив в нее новый анод и залив новый электролит. И вот тут-то мы подошли к самому интересному! В качестве электролита способен выступать самый простой раствор обычной поваренной соли (или даже морская вода, если она под рукой), а в качестве анода — пластина из активного металла, например алюминия или магния. Причем первый максимально предпочтителен в нашей богатой на алюминий стране и ввиду дешевизны этого металла.

В принципе, технически совершенно несложно сделать батарею, рассчитанную даже на использование в качестве анодов типовых (на 0,5 и 0,33 литра) банок от пива и газировки. Правда, нужно будет как-то решить вопрос их предварительной очистки, поскольку стандартная пивная банка неэлектропроводна, ибо покрыта внутри и снаружи тонким слоем специального пищевого лака.

Запуск металло-воздушной батареи происходит путем заливки ее электролитом. Процесс выработки энергии начинается через пару секунд, а ускорить его выход на максимальный уровень можно, организовав на несколько минут безопасное для батареи короткое замыкание. После чего МВБ на соленой воде и алюминиевых анодах в корпусе размерами с автомобильный 12-вольтовый стартерный аккумулятор может выдавать 12 вольт с весьма приличным током около 10 ампер. И это непрерывно в течение суток! Если же подключать потребителя к батарее лишь периодически, то проработает она гораздо дольше.

Что такое 12 вольт с током 10 ампер? Это возможность заряжать любые устройства (телефоны, рации, квадрокоптеры), организовать эффективное освещение диодными светильниками двух-трехкомнатной квартиры или включать через преобразователь 12–220 какую-то сетевую технику вроде ноутбука.

Металло-воздушная батарея способна стать основой аварийного домашнего, гаражного или дачного электропитания, служить «электростанцией» для полевого лагеря. При этом даже утилизация отработанного электролита, представляющего собой густое «молоко» со щелочной реакцией, достаточно проста — его можно выливать в яму в земле, поскольку он достаточно экологичен. Нечто подобное люди даже… употребляют внутрь — аналогичный состав у альмагеля, известного желудочного лекарства!