Первые аккумуляторы

Слово "аккумулятор" происходит от латинского accumulator, что означает "собиратель". В технике так называют устройства, накапливающие энергию с целью ее дальнейшего применения. При этом аккумулятор может быть не только электрическим. Наиболее простым видом аккумулятора можно считать сжатую или растянутую пружину, в которой накапливается механическая энергия, или тяжелый маховик, раскрученный до большого числа оборотов и запасающий таким образом кинетическую энергию. На гидроаккумулирующих станциях излишек электроэнергии используется для подъема воды из нижнего резервуара в верхний. Существуют пневматические аккумуляторы, тепловые и, наконец, электрические.

Давайте еще раз возвратимся ко времени, когда Александро Вольта создал свою первую батарею. Для большинства это было чудо, которое привлекло еще больше любителей физики к электрическим опытам. Год или два спустя учитель музыки в Париже, некто Готеро, проводящий эксперимент по разложению воды на кислород и водород с помощью вольтова столба, заметил, что две золотые проволочки нехитрого прибора, соединенные вместе по окончании эксперимента и приложенные к языку, дают такое же ощущение, как и батарея Вольты, только значительно слабее. Истолковать это незначительное явление никто не мог, да оно было и не очень-то впечатляющим. Но несколько лет спустя к его опыту вернулся немецкий фармацевт Иоганн Вильгельм Риттер, ставший позднее за смелость мысли и широту взглядов членом Мюнхенской академии. Он соорудил столбик из сорока только медных кружков, проложенных суконками, которые были смочены подкисленной водой. Соединил полюса столбика с вольтовой батареей и через некоторое время убедился, что его конструкция зарядилась электричеством. Теперь вторичные, или заряжаемые, столбы привлекли к себе внимание многих. Тем более что существующие гальванические элементы очень быстро утрачивали свою силу из-за поляризации. В 1839 году Грове изобрел газовый вторичный элемент, который давал ток только после зарядки его от какого-нибудь постороннего источника.

Газовый элемент Грове состоит из платиновых электродов, при заряде, над одним скапливается водород над другим кислород. Электролитом служит серная кислота. При разряде протекает обратная реакция окисления водорода и восстановления кислорода. Напряжение составляет около 1В. Этот элемент является прототипом топливных элементов. Но из-за неудобства пользования, газовый элемент Грове распространения не получил. (Существует и другой элемент с именем Грове, и желательно их не путать)

Рис.1. Газовый элемент Грове

Примерно в 1859-1860 годах в лаборатории Александра Беккереля - второго представителя славной династии французских физиков - работал в качестве ассистента Гастон Планте. Молодой человек решил заняться улучшением вторичных элементов, чтобы сделать их надежными источниками тока для телеграфии. Сначала он заменил платиновые электроды "газового элемента" Грове свинцовыми. А после многочисленных экспериментов и поисков вообще перешел к двум тонким свинцовым пластинкам. Он их проложил суконкой и навил этот сэндвич на деревянную палочку, чтобы он влезал в круглую стеклянную банку с электролитом. Далее подключил обе пластины к батарее. Через некоторое время вторичный элемент зарядился и сам оказался способен давать достаточно ощутимый постоянной ток. При этом, если его сразу не разряжали, способность сохранять электродвижущую силу оставалась в нем на довольно продолжительное время. Это было настоящее рождение накопителя электрической энергии, или аккумулятора.

Рис.2. Один из первых аккумуляторов

Первые электрические аккумуляторы Гастона Планте имели небольшую емкость, то есть запасали совсем мало электричества. Но соединив несколько банок последовательно, напряжение батареи можно было повысить, а при параллельном их включении повышалась емкость. При этом ток прибора оказывался тем сильнее, чем большая поверхность пластин соприкасалась с раствором электролита.

Потом было обнаружено, что если заряженный первоначально прибор разрядить, затем пропустить через него ток в обратном направлении, да еще проделать эту операцию не один раз, то увеличивается слой окисла на электродах и емкость вторичного элемента возрастает. Этот процесс получил название формовки пластин и занимал у изобретателя Камилла Фора около трех месяцев.

Камилл Фор с юных лет увлекался техникой. Но он был беден и не получил образования. Вынужденный зарабатывать на жизнь, Камилл поменял множество специальностей. Был рабочим, чертежником, техником, химиком на английском пороховом заводе, трудился и у Планте. Разносторонние практические знания сослужили самоучке хорошую службу.

После Парижской выставки 1878 года Фору пришла идея нового метода формовки пластин. Он попробовал заранее покрывать их оксидом свинца, свинцовым суриком. При зарядке сурик на одной из пластин превращался в перекись, а на другой соответственно раскислялся. При этом слой окисла приобретал очень пористое строение, а значит, площадь его поверхности существенно увеличивалась. Процесс формовки проходил значительно быстрее. Аккумуляторы Фора при том же весе запасали значительно больше электрической энергии, чем аккумуляторы Планте. Другими словами, их энергоемкость была выше. Это обстоятельство привлекло к ним большое внимание электротехников.

В конце столетия во многих странах на улицах и в домах появилось электрическое освещение. Лампы накаливания питались энергией пока еще маломощных машин постоянного тока. Ранним утром и поздним вечером, когда энергии требовалось больше, на помощь машинам приходили аккумуляторы. Это было существенно дешевле, чем ставить дополнительные генераторы. Тем более что в дневные и ночные часы аккумуляторы могли заряжаться, накапливая излишки вырабатываемой машинами энергии.

Последующее совершенствование свинцово-кислотных аккумуляторов шло по пути улучшения их конструкции и изменения технологии производства пластин. Несмотря на широкое распространение, свинцовый аккумулятор - довольно капризное детище электротехники.

Недостатки кислотных аккумуляторов еще на заре их развития побуждали изобретателей искать замену свинцу. Попыток было немало. Большинство безуспешных. Удача выпала на долю Томаса Алвы Эдисона. После множества экспериментов американский изобретатель создал железо-никелевый щелочной аккумулятор, который широко применяется в наши дни. В нем отрицательный электрод выполнен из пористого железа или кадмия с большой рабочей поверхностью. Положительный электрод - никелевый, окруженный окисью трехвалентного никеля. В качестве электролита применяется 20%-ный раствор едкого калия или едкого натрия. Корпус чаще всего изготавливается из стали. Правда, электродвижущая сила щелочного аккумулятора немного ниже, чем у свинцового. Коэффициент полезного действия тоже меньше (примерно в два раза). Да и стоит щелочной аккумулятор дороже. Но он хорошо выдерживает перегрузки, нечувствителен к избыточному заряду и глубокому разряду, прочен, легко переносит перегрев и не нуждается в ремонте.

И сейчас во всех промышленно развитых странах внимание многих научно-исследовательских коллективов направлено на создание новых типов аккумуляторов и супераккумуляторов. Основная задача - повысить энергоемкость: повысить количество запасаемой энергии на единицу веса аккумулятора.