Первые аккумуляторы

Большинство людей точно знает, откуда берётся электричество: из розетки или из батарейки. Как оно попадает в розетку, понятно — по проводам, а в батарейки — мы подробно рассказывали в № 20 газеты (см. электронную версию) и об истории их создания, и о современном ассортименте гальванических элементов.

Напомним, чуть-чуть.

В 1799 году Алессандро Вольта открыл, что там, где соприкасаются два проводника из разных металлов и один «влажный» (химический раствор), вызывается электрический флюид. И построил из 20 пар медных и цинковых кружков и пропитанного электролитом картона снаряд, или искусственный электрический орган, или электродвижущую колонну — дающую ЭДС в 20–25 вольт (такую единицу в честь него придумали позже, но суть вы вспомнили).

Физики стали соревноваться по количеству пар в построенных ими «вольтовых столбах» (доходило до 20 тысяч — правда, мощность терялась на внутреннее сопротивление). Экспериментировали с различными металлами и растворами, добиваясь стабильности химической реакции обмена, в результате которой возникала разность потенциалов, долговечности и безопасности работы этих устройств. Потом придумали «сухие» гальванические элементы.

К середине XIX века эти старания уже приобрели практический смысл, поскольку возникла потребность в мобильных источниках электричества — для освещения, связи, дистанционного подрыва мин.

Однако, до сих пор во всех батареях реакции были необратимыми — то есть они были одноразовыми.

Между тем, уже в 1801 году в Париже учитель музыки Готеро экспериментировал с разложением воды на кислород и водород с помощью вольтова столба, и приметил, что два золотых контакта в банке, после отключения батареи, если лизнуть языком, дают такое же «кислое» ощущение, как и батарея Вольты, только слабее. Истолковать это не сильно впечатляющее явление тогда никто не смог.

Несколько лет спустя немецкий фармацевт Иоганн Вильгельм Риттер проделывал опыт со сложенными в столбик электродами из золота, серебра, меди, отделяя их друг от друга кусками сукна, пропитанными растворами солей, и соединял полюса столбика с вольтовой батареей. И убедился, что его конструкция заряжается электричеством — получился вторичный, способный отдавать запасённую в нём электрическую энергию, элемент.

В 1839 году Уильям Грове, оставив карьеру юриста, изобрёл газовый «вторичный элемент», который давал ток только после зарядки его от какого-нибудь постороннего источника. При заряде, над одним из электродов скапливается водород, над другим кислород, электролитом служила серная кислота. При разряде протекала обратная реакция окисления водорода и восстановления кислорода.

В 1854 г. Вильгельм Зинштеден зачем-то пропускал ток через свинцовые электроды, погруженные в серную кислоту и обнаружил, что на положительном образуется двуокись свинца, на отрицательном — губчатый свинец а после отключения тока на электродах обнаруживается напряжение около 2 В. Но практических выводов он не сделал — возможно, потому, что был военным врачом.

В 1859 г. ассистент лаборатории Беккреля, инженер Гастон Планте повторил этот опыт, всё понял и после долгих изысков построил прибор в виде двух навитых на деревянный цилиндр свинцовых пластин с прокладкой из сукна, помещённых в банку с кислотой. Если его не разряжали сразу, заряд сохранялся длительное время.

Это уже было рождением аккумулятора — накопителя электрической энергии.

Первые аккумуляторы Планте имели незначительную электрическую ёмкость — но он заметил, что если заряженный аккумулятор разрядить, пропустить через него ток в обратном направлении и повторить этот процесс несколько раз, то ёмкость возрастает благодаря увеличению поверхности пластин за счёт пористости. Процесс повторялся многократно — более 500 часов.

Эти аккумуляторы использовались практически — как источник тока в телеграфии, для освещения вагонов на стоянке. Потом ими всерьёз занялся рациональный Томас Альва Эдисон — для автомобилей, и с тех пор автопроизводители и шофёры используют их, игнорируя все прочие системы.

А у изобретателей попытки вытеснить тяжёлый свинец были. Например, на основе медно-цинкового элемента Лалавда в 1901 г. Эдисон и, одновременно, Юнгнер запатентовали аккумулятор гораздо более лёгкий на единицу ёмкости, по сравнению со свинцовым, неприхотливый к зарядке, способный стоять как угодно долго в разряженном состоянии. Вытеснить свинцовые аккумуляторы он, однако, не смог ввиду высокой цены, малой отдачи и низкого напряжения.

В 1899 г. шведский учёный Вальдмар Юнгнер запатентовал в Германии аккумулятор с никелевым положительным и кадмиевым отрицательным электродами, щёлочью вместо кислоты.

Во время зарядки на положительном электроде выделялся кислород. Однако уже в 1947 г. додумались сделать отрицательный электрод больше положительного — и теперь газ поглощался его непрореагировавшей поверхностью. В корпусе сделали клапан для выпуска излишка газа (правда, вместе с ним выплёскивалась порция щёлочи). Совершенствуя конструкцию, удалось сделать элемент герметичным. Но тут проявилась коварная двойственность никель-кадмиевого процесса: нельзя, с одной стороны, допускать глубокого разряда аккумулятора ниже паспортного предела, с другой — заряжать его раньше, чем он достигнет этой границы. Это пресловутый эффект памяти.

У никельметаллгидридных аккумуляторов (NiMH) отрицательный электрод изготовляется из открытых более 20 лет назад двухкомпонентных сплавов — никеля с титаном, марганцем, лантаном. Они разрабатывались для замены несовершенных никель-кадмиевых. Удалось достичь повышения электрической плотности батареи на кг веса, восстановить прежнюю ёмкость можно за один цикл полной разрядки/зарядки, а не за несколько. Однако срок службы остался те же 500 циклов, высок саморазряд. Но уже появились такие аккумуляторы без эффекта памяти и долговечностью 1000 циклов.

Элементы с использованием лития Джилберт Ньютон Льюис начал разрабатывать в 1912 г — они при перезарядке взрывались: литий химически активен, а электролит был легковоспламеняемый. Только в 1991 г. Sony выпустила литий-ионный аккумулятор с ограничением параметров заряда, а потому безопасный.

Разрабатываются также никель-водородные системы с отрицательным электродом из пористого газодиффузионного материала с платиновым катализатором — характеризуются высокой удельной энергией и очень высоким ресурсом, но значительным саморазрядом и о-очень дороги. Применяются в космической технике.

Серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые батареи аккумуляторы — очень эффективные (и дорогие), используются в научных и военных разработках.

Одним из наиболее замечательных и оригинальных открытий за последние 400 лет было открытие электричества.

Одним из наиболее замечательных и оригинальных достижений в области электричества стало изобретение многократно перезаряжаемых источников тока — аккумуляторов.