Почему батарея в вашем телефоне работает на литии, а не на взрывном цезии? Потому что он легче и даёт больше энергии на килограмм веса

Наверняка видели в сети ролики, где в воду кидают кусочек металла, и следует оглушительный хлопок. Обычно в главной роли там выступает цезий. Казалось бы, вот она, чистая мощь. Бери и делай из него самые крутые батарейки. Но в вашем телефоне стоит аккумулятор на основе его «хилого» младшего брата, лития. Чтобы понять такой, на первый взгляд, нелогичный выбор, нужно разобраться в физике и химии процесса.

Сразу оговорюсь: при определённых условиях и литий может повести себя очень бурно. Но в стандартном демонстрационном опыте разница в реактивности колоссальна, и именно этот парадокс мы и разберём.

Что такое «активность»? Скорость против силы

Химическая «активность» и «энергоёмкость» — совершенно разные понятия.

Активность щелочных металлов определяет их готовность как можно быстрее отдать свой единственный внешний электрон. Чем больше атом, тем дальше электрон от ядра, тем слабее он притягивается. Тем легче его «оторвать». У цезия самый большой атом, поэтому он чемпион по скорости реакции. Его взрыв в воде — результат мгновенной отдачи энергии. Всё дело в скорости.

Энергоёмкость же показывает, сколько энергии можно запасти в определённом весе вещества. Именно она важна для создания портативной батарейки. Здесь и начинается самое интересное.

Разбираем на атомы: почему литий выигрывает по весу

Возьмём калькулятор. Откроем таблицу Менделеева и посмотрим на атомные массы:

• Литий (Li): ~7 единиц

• Цезий (Cs): ~133 единицы

Цезий тяжелее лития почти в 19 раз.

Теперь представим, что мы взяли 100 грамм лития и 100 грамм цезия. Количество «рабочих единиц» (атомов) в каждом куске будет кардинально отличаться. Благодаря своему малому весу, в куске лития почти в 20 раз больше атомов, чем в куске цезия той же массы.

Да, каждый отдельный атом цезия при реакции производит больше энергии, чем атом лития. Но поскольку в том же весе лития атомов-«носильщиков» в 20 раз больше, их суммарный энергетический потенциал оказывается значительно выше. Литий — абсолютный чемпион по количеству энергии на килограмм. Именно он и стал основой современных аккумуляторов.

Почему цезий — плохой выбор в любом случае

Даже если бы цезий был таким же энергоёмким, он настоящий кошмар для любого практического применения.

• Он почти в 4 раза плотнее лития. Аккумулятор для телефона весил бы как кирпич.

• Цезий самовоспламеняется на влажном воздухе. Малейшая разгерметизация аккумулятора в кармане привела бы к тяжелейшим химическим ожогам.

• Цезий — редкий и дорогой металл. Литий гораздо более распространён и дешёв в добыче.

• У цезия есть уникальная особенность: красивый золотистый цвет. Причина, как ни странно, кроется в теории относительности Эйнштейна. Из-за огромного ядра электроны цезия разгоняются до околосветовых скоростей, их масса растёт, орбитали сжимаются, и атом начинает поглощать синий свет, отражая жёлтый. Да, цвет металла объясняется релятивистикой. Круто, но для массового производства аккумуляторов неважно.

Что в итоге

Выбор лития для аккумуляторов — не компромисс. Это всего лишь простой расчёт. Производители выбрали не тот металл, что громче взрывается, а тот, что при минимальном весе способен запасти и отдать максимум энергии.

Эффектные взрывы цезия — отличное шоу для YouTube. Но когда речь заходит о реальных устройствах в наших карманах, побеждает не грубая сила, а холодный расчёт, физика и химия. И по всем этим параметрам скромный и лёгкий литий оставляет своего взрывного и тяжёлого конкурента далеко позади. Вот так-то.