IT ExpertМир технологийНаука и техника

Решения, изменившие мир. Электрический аккумулятор

Сергей Грицачук | 24.03.2014

ВКонтакт Facebook Google Plus Одноклассники Twitter Livejournal Liveinternet Mail.Ru

Решения, изменившие мир. Электрический аккумулятор

История автомобилестроения началась с самобеглых колясок на электрической тяге: других движителей, пригодных по мощности, в XIX веке не существовало. Между прочим, некоторым из них было под силу пробежать до 150 км без подзарядки, что даже на сегодняшний день не так уж и мало (современный рекорд – 480 км). Источником электричества им служили аккумуляторные батареи, чья история насчитывает около 2000 лет и восходит к древним эллинам («парфянский сосуд»).

С приветом из Древнего Египта

Керамическая бутыль с медным и железным электродом, заполненная уксусом, могла выдавать напряжение около 2 В, и предположительно использовалась для гальванизации посредством электролиза – нанесения покрытия из благородных металлов на изделия из более дешевого материала. Впрочем, это не единственное историческое подтверждение существования батарей: археологи утверждают, что подобные технологии были известны еще раньше, около 4500 лет тому назад в Древнем Египте и около 250 лет до н. э. в Древнем Вавилоне.

img

Тамошние жрецы вполне могли освоить несложные технологии электролиза для нанесения сурьмы на медь или золота на керамические изделия и серебряные безделушки, но назвать гальванические элементы такого типа полноценными батареями нельзя, поскольку они не были перезаряжаемыми. Именно по этой причине аккумулятором не считают и вольтов столб: изобретение Алессандро Вольта (Alessandro Volta), продемонстрированное в 1800 году, представляло собой обыкновенную одноразовую батарейку, в которой медные и цинковые пластины были переложены сукном, пропитанным кислотой. И эта, и все остальные химические батареи относились к источникам тока первого типа (они вырабатывали электрический ток за счет внутренних химических реакций, но не могли быть перезаряжены и использованы повторно).

img

Однако заслуга Вольта в изобретении АКБ немалая: именно он предложил объединять элементы в батарею, повышая напряжение на выходе. К слову, подобием вольтова столба и по сей день пользуются туристы, рыбаки и охотники: сухой комплект достаточно пропитать крепким раствором соли или морской водой, чтобы получить источник электрического тока для подзарядки батареи мобильного телефона или освещения палатки.

Учиться перезаряжаться

О перезаряжаемом аккумуляторе заговорили позднее: в 1859 году французскому физику Гастону Планте (Gaston Plante) удалось изготовить батарею из тонких свинцовых пластин и льняной ткани. Спиральные модули, помещенные в стеклянный цилиндр с раствором серной кислоты, составляли перезаряжаемую батарею, которая могла длительное время хранить заряд, а будучи разряженной, подлежала восстановлению от другого источника (динамо машины). Именно кислотно-свинцовая схема используется в автомобилях и по сей день, а сам Планте усовершенствовал конструкцию АКБ так, что она стала пригодной к массовому производству.

img

Прошло еще 40 лет, и в обиходе появился никель-кадмиевый аккумулятор. Его автор, швед Вольдемар Юнгер (Waldemar Jungner), в 1900 году изготовил серебряно-кадмиевую батарею, с которой и был поставлен рекорд дальности поездки без перезаряда. Но изготовление подобных АКБ было весьма дорогим удовольствием, что заставило Юнгера искать новые материалы. В итоге был создан никель-кадмиевый аккумулятор карманной конструкции (карманы-отсеки из никелированной стали заполнялись смесью веществ). Затем немцы Шлеч (Shlecht) и Аккерман (Ackermann) в 1932-м доработали систему, применив метод спекания порошка в пластины, что улучшило параметры аккумуляторов, уменьшило габариты и удешевило их производство. Практически в неизменном виде никель-кадмиевые батареи просуществовали до 1990 года, пока не был поднят вопрос об их низкой экологичности. В результате на смену пришли никель-металл-гидридные, которые успешно снабжали электроэнергией всю портативную технику, несмотря на «эффект памяти» и малый срок службы.

Свободными от недостатков предшественников оказались литий-ионные АКБ. Их создание – отдельная история, поскольку от изобретения эффекта до промышленного внедрения прошло более 20 лет. В 1970 году американский ученый Мэнли Уиттингем (Manley Stanley Whittingham) зарегистрировал патент о «Вторичных литиевых батареях с использованием нового слоистого материала анода» (в качестве электродов применялись титан, сульфид и металлический литий), а немец Дж. О. Бесенхард (J.O. Besenhard) обнаружил явление обратимой интеркаляции и также предложил использовать в батареях второго вида литий. Первые экземпляры оказались неудачными: разложение электролита и растворение графита делали их непригодными для коммерческих целей.

img

Отказаться от металлического лития удалось в 1985-м, когда японец Акира Йошино (Akira Yoshino) в качестве одного из электродов взял углеродистый материал с включенными ионами лития, а в качестве другого – литиевую окись кобальта. Полученный элемент решил все проблемы (в том числе с надежностью и стоимостью) и стал прототипом для современных образцов. Единственное новшество с тех пор – применение полимерных материалов и начало выпуска литий-полимерных аккумуляторов – реализовали в 2008 году.

Выводы

Нетрудно заметить: более чем за 100-летнюю историю (можно сказать, и за 4000 лет) аккумулятора человечество совершенно не продвинулось в области портативных источников электроэнергии. То факт, что были найдены новые материалы для батарей, не утешает – ведь это не сказалось на их мощности и надежности. Так что история аккумуляторов явно нуждается в продолжении.



Ключевые слова: портативные аккумуляторы

Журнал IT-Expert № 04/2014    [ PDF ]    [ Подписка на журнал ]

Об авторах

Сергей Грицачук

Сергей Грицачук

Обозреватель, аналитик, инженер-системотехник. Действительный член «Клуба экспертов Intel», сертифицированный специалист (Мюнхен) по сетевым и серверным технологиям с 1993 года. Компьютерами и сопутствующими решениями занимается с 1985-го, участник многочисленных выставок, обладатель наград за оригинальные схемотехнические и программные разработки. Первый диплом получил в 1984 году от «Патентного бюро» журнала «Юный техник». Увлекается охотой, рыбалкой, водно-моторным спортом. «Утомившись суетой цивилизации, предпочитаю уединенную жизнь вдали от нее. Все свободное время отдаю семье и детям».

Мероприятия

15.10.2018 — 01.11.2018
Четвертая международная конференция ПРОSTOR о технологиях хранения данных

площадка Deworkacy Красный Октябрь (Москва, Берсеневская набережная 6, стр.3, 6 этаж)

23.10.2018
Северо-Западный форум Cisco

Санкт-Петербург, Гостиница Астория

26.10.2018
Цифровая трансформация для Руководителей и Собственников бизнеса

Москва, Озерковская наб. 26, отель «АКВАМАРИН» (М. Новокузнецкая, Третьяковская), конференц-зал «ЭМЕРАЛЬД» (1 этаж)

09.11.2018
BPM: Ключ к эффективности вашего бизнеса

Новосибирск, Park Inn by Radisson Novosibirsk