Современная электроника №7/2024

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 7 / 2024 не торопятся создавать более мощные элементы питания, и вот почему. Уста - новлено, что при напряжении (в усло - виях среды) ниже 1,23 В не возника - ет эффект электролиза, в то время как при нахождении в кишечнике чело - века элемента с напряжением выше этого значения неизбежно возника - ет дополнительная химическая реак - ция, связываемая с электролизом, без - относительно того, является «элемент питания» биоразлагаемым или нет. С этим знанием также связана про - блематика последствий проглатыва - ния малолетними детьми элементов питания разной формы, в частности, маленьких дисковых батареек для часов (и др.), – к примеру, дисковые (плоские) элементы типа CR2016 и более мощные имеют напряжение 3 В. Особенности зарядного тока Энергетический потенциал, обеспе - чиваемый батареей на основе Li-ion, должен быть достаточно стабильным, а разрядка при критично низком потен - циале или зарядка при слишком высо - ком потенциале могут необратимо повредить аккумулятор. В начальном цикле зарядки предварительно полно - стью разряженного аккумулятора его ёмкость примерно в 3 раза выше ёмко - сти в последующих циклах. Батарею испытали в 50 циклах заряда и разря - да, при этом получили данные о нерав - номерном убывании энергоёмкости. Так, разрядная ёмкость увеличивается в течение первых 8 циклов до 7,2 мА∙ч∙г –1 и падает до 5,4 мА∙ч∙г –1 после 50 циклов. Вероятная причина – из-за растворения молекул и заряженных частиц. Чтобы сделать гальванический элемент безопасным и биоразлагае - мым, активные (основные) материалы нанесены на ламинированную золо - том этилцеллюлозу, которая служит токосъёмником, как и в случае с пол - ностью заряженной батареей. Коли - чество загрузки составляло 1,5 мг для композита RF/AC и 1,2 мг для компо - зита Q/AC, распределённого на площа - ди 1 см². Оболочку аккумулятора соз - дали из пчелиного воска, а в качестве сепаратора использовались водоросли нори. При следующих экспериментах водный раствор электролита NaHSO 4 не меняли, но использовали в мень - шем количестве (≈ 300 мкл). Водорос - ли нори замачивали в электролите и помещали на токосъёмники с пред - варительно нанесённым небольшим количеством электролита [9]. Ячейка была протестирована при гальваностатической зарядке-разряд - ке при токе 240 мкА при циклическом напряжении от 0,6 до 0,8 В (см. рис. 10 вверху). Разрядная ёмкость первона - чально возрастает в течение первых 50 циклов с 6,3 до 7,0 мкА∙ч –1 , а затем остаётся постоянной. Это можно объяс - нить смачиванием электрода, посколь - ку электролит достигает большей пло - щади поверхности электрода инертно. Для зарядки и разрядки элемента тре - буется ≈ 2 минуты. Тот же эксперимент был проведён при более низком токе, 48 мкА, что привело к более высокой разрядной ёмкости, ≈ 10 мкА∙ч –1 (рис. 10 внизу). В этом случае установлено незначительное падение энергоёмко - сти с 10,1 до 9,1 мкА∙ч –1 после 18 циклов заряда-разряда. Профиль кривой заряд - ки-разрядки аналогичен показанному ранее: для полной зарядки требуется около 13 минут, а для полной разряд - ки примерно 12 минут (рис. 10). В итоге при последовательном под - ключении двух рассмотренных бата - рей исследователи добились свече - ния светодиода HLMPK150 фирмы Broadcom. После предварительной и полной зарядки батарей светоди - од был активен с плавным сниже - нием яркости свечения в течение 12 минут (см. иллюстрацию рис. 7). Опыт наглядно доказал практиче - скую возможность применения «съе - добных» батарей в качестве источника питания с током от 0,2 мА. Составляя последовательно-параллельно подоб - ные источники тока, можно добивать - ся существенного увеличения мощно - сти АКБ СЭС. Для других перспективных направ - лений исследований обратим вни - мание на естественные источники тока из овощей и фруктов. Это так - же направление совершенствования разработок в области безопасных для человека и животного биоразлагае - мых материалов. Маломощные биоразлагаемые бата - реи могут питать электронные устрой - ства сверхмалой мощности. В экс - перименте показаны светодиоды, питаемые током 10 мА. Этого тока и напряжения уже сегодня вполне доста - точно, чтобы обеспечить электропи - танием микроэлектронные модули современной медицинской электро - ники. Перспективы применения такой инновации в здравоохранении беско - нечны, а с учётом совершенствования технологии и увеличения мощности источника питания – способны про - рывным образом двигать НТ прогресс. Источники питания из овощей и фруктов Обыкновенный картофельный клу - бень можно использовать в качестве источника питания малой мощно - сти. Оказывается, в сырой картошке (более интенсивно, чем в сухой) посто - янно происходят химические процес - сы. Процессы взаимодействия неоди - наково сильны в клубне, положенном на свет (в том числе естественный), и картофелине, упрятанной в погреб. Несколько проведённых автором экс - периментов с картофельными клуб - нями нового урожая привели к тому, что удалось зафиксировать между раз - личными частями (концами) картофе - лины электрический ток малой силы (рис. 11). Сначала взята одна картофе - лина, к которой подключён в режиме измерения постоянного напряжения популярный цифровой тестер М-830. Предел измерения постоянного напря - жения установлен 200 мВ. Показания вольтметра 19,1 мВ. При подключении 2 клубней в последовательную элек - трическую цепь напряжение, зафик - сированное вольтметром постоянного тока, составило уже 135,3 мВ. Учиты - вая, что вольтметр имеет определённое внутреннее сопротивление (шунтиру - ет проверяемую цепь), а отдаваемый ток ничтожно мал (порядка 5 мкА), естественно, значение фиксируемо - го напряжения на щупах вольтметра (разных концах картошки) со време - нем падает, и корректнее его замерять не бытовым, а лабораторным милли - вольтметром [3]. Так, во втором эксперименте с двумя картофелинами напряжение в элек - трической цепи упало за 1 мин со 141 мВ до 119,5 мВ. Это позволяет сде - лать вывод, что использовать карто - фель для питания электронных кон - струкций (даже самых маломощных) вряд ли целесообразно. Простые под - счёты (основанные на законе Ома) показывают, что для получения в про - извольном источнике питания напря - жения 13,5 В и тока 10 мА потребуется не менее 220 картофелин, включённых параллельно (для увеличения выход - ного тока) и последовательно (для уве - личения выходного напряжения). Эксперимент, проведённый автором, показал, что выходное напряжение зависит также и от размера клубня, мест и глубины внедрения щупов, дли -