Дело в химии. Как все устроено?

Самый важный момент – это то, что суммарный электрический заряд обоих сосудов должен всегда равняться нулю, с самого начала до конца. Если сосуды будут полностью изолированы друг от друга, то сосуд с медной пластиной станет отрицательно заряженным (благодаря заряду электронов), в то время как сосуд с цинковой платиной обретет положительный заряд. Ситуация станет неустойчивой, и батарея прекратит работу. Именно поэтому сосуды должны отделяться друг от друга проницаемой перегородкой, позволяющей растворам обмениваться излишними ионами и обеспечивающей равновесие потенциалов между электродами: благодаря ей разность потенциалов не возникает. Батарея создает условия для превращения химической энергии в электрическую. Если бы мы попытались провести реакцию в батарее, просто смешав растворы, та же самая энергия выделилась бы в виде тепла. Самое время вспомнить первое начало термодинамики, гласящее, что энергия сохраняется: если начальное и конечное состояния одинаковы, энергия сохраняется неизменной, вне зависимости от пройденного «пути». Меняется только форма, в которой происходит энергетический обмен.

Можно представить, что использовать подобную батарею для работы компьютера было бы не очень практично, однако базовая концепция, лежащая в основе всех батареек, осталась той же. В батарейке всегда наличествуют два электрода, химическое вещество, теряющее электроны, и химическое вещество, их собирающее, и электролит, позволяющий сбалансировать заряды. От элемента Даниэля они отличаются более сложными химическими и более эффективными реакциями, позволяющими батарейке стать намного более компактной, повысить напряжение, уменьшить ее вес и увеличить срок работы. В некоторых случаях можно использовать обратимые процессы, они позволяют перезаряжать батарейку. Для этого достаточно поменять полюса и подключить электрический ток, чтобы реакция пошла в обратном направлении, превращая электрическую энергию в химическую. К сожалению, второе начало термодинамики неумолимо: для перезарядки батареи всегда требуется больше энергии, чем мы можем получить путем ее обычного использования…

Следует подчеркнуть и другой момент: почти все батарейки чрезвычайно опасны для окружающей среды, их нельзя выбрасывать в мусор – они содержат значительные количества тяжелых металлов, таких как свинец и кадмий. Это может иметь самые непоправимые последствия для природы[31]. Как мы узнаем в рассказе № 5, рассматривая в качестве примера ртуть, тяжелые металлы могут загрязнять почву и источники вод, проникать в пищевые цепочки, отравляя животных и людей и нанося неврологические и гастроэнтерологические повреждения, приводя к росту злокачественных опухолей. Во многих местах сейчас установлены специальные сборники отходов, помощь можно получить также в магазинах электроники.

Электромобили и автомобили на водороде: мечта красивая, но трудоемкая

Мы поняли, как работает батарея, поэтому можем изучить в деталях работу автомобиля на электричестве или на водородном топливе и понять, какие препятствия ограничивают эти технологии.

Любопытный факт, который известен не всем: электромобиль был изобретен отнюдь не недавно, а еще в период между 1830 и 1840 годами, чуть ли не раньше, чем авто на бензиновом двигателе. Первые бензиновые прототипы были созданы только в 1870 году, они были усовершенствованы и распроданы окончательно в последние годы ХХ века. Те первые бензиновые коммерческие модели имели явно более низкие показатели по сравнению с электрическими, поэтому был создан знаменитый электромобиль Jamais Contente (Вечно недовольна), а пилотом его стал бельгиец Камиль Женатци. Он первым в истории превысил скорость в 100 км/час. Несмотря на первые успехи, развитие двигателей внутреннего сгорания быстро вытеснило аккумуляторные двигатели с рынка – они не смогли выдержать конкуренцию в плане автономии и технических характеристик, продемонстрировав все те же проблемы, что и сегодня сдерживают развитие этого типа легковых автомобилей.

Электромобили, даже самые дорогие и совершенные, не достигают пока необходимых стандартов и по производительности отстают от собратьев на бензине или дизеле, хотя демонстрируют явные преимущества в области сохранения окружающей среды и тишины.

Главной причиной отставания является тот факт, что плотность энергии у батареи ниже, чем у углеводородного двигателя: говоря простыми словами, аккумулятор весом в один килограмм способен произвести гораздо меньше энергии, чем килограмм углеводородного топлива. А когда речь идет о транспорте, килограммом больше или килограммом меньше имеет большое значение.