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.
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).
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.
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.
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.
Опубликовано 24.03.2014