Серый кардинал
В 1800 г. итальянский учёный Алессандро Вольта поместил пластины из цинка и меди в кислоту и получил непрерывный электрический ток между ними. Вольта назвал свое изобретение «искусственным электрическим органом». Почему так странно? Дело в том, что он занимался не только физикой, но и биологией и хорошо знал об электрических органах угрей и скатов. Впрочем, авторское название не прижилось. Поскольку медно-цинковые элементы составлялись в батарею, причём, как правило, вертикальную, она получила широкую известность как «вольтов столб».
Интересная находка
В 1854 г. немецкий военный врач Вильгельм Зинстеден зафиксировал следующий эффект. При пропускании электрического тока через свинцовые электроды, погруженные в 10-процентную серную кислоту, положительный электрод покрывался коричневой двуокисью свинца PbO2, в то время как отрицательный электрод оставался серым. После этого, если электроды были отключены от источника напряжения и замкнуты между собой, между ними возникал постоянный ток, который сохранялся, пока вся двуокись свинца не растворялась в кислоте. Зинстеден фактически наблюдал работу свинцово-кислотного аккумулятора, однако не сделал из своих наблюдений значимых практических выводов.
Только пять лет спустя, в 1859-м, французский инженер Гастон Планте случайно обнаружил тот же эффект и применил его, построив первый в истории свинцово-кислотный аккумулятор. Так началась эра электрохимических накопителей энергии.
Аккумулятор Планте состоял из двух листов свинца, навитых на деревянный цилиндр. Друг от друга они отделялись тканевой прокладкой. Устроенную таким образом начинку прибора помещали в сосуд с подкисленной водой и соединяли с электрической батареей. Спустя несколько часов можно было, отключив батарею, снимать с аккумулятора довольно сильный ток, который в течение некоторого времени сохранял постоянное значение.
Аккумулятор Планте имел совсем небольшую ёмкость, а потому слишком быстро разряжался. Вскоре Планте обнаружил, что ёмкость можно увеличить специальной подготовкой поверхностей свинцовых пластин - так, чтобы они стали пористыми. Для этого он разряжал заряженный аккумулятор, а затем заряжал его заново с обратной полярностью. Процесс повторялся многократно приблизительно в течение пятисот часов.
Пришла пора
До тех пор пока не была изобретена динамо-машина, электротехники не особо интересовались аккумуляторами - электрический ток проще было получать непосредственно от вольтового столба. С появлением же динамо-машин, позволявших легко и быстро заряжать аккумуляторы, эти устройства получили широчайшее распространение.
В 1882 г. французский физик Камилл Фор значительно усовершенствовал технологию изготовления свинцовых аккумуляторных пластин. Он предложил заранее покрывать каждую пластину суриком или другим материалом, содержащим окислы свинца. При зарядке аккумулятора на одной пластине получалась перекись, а на другой - закись свинца. Оба электрода при этом обретали пористую структуру с большой поверхностной площадью, что способствовало увеличению ёмкости аккумулятора.
А в 1881-м немецкий инженер Э. Фолькмар предложил в качестве электродов применять несущую решётку, «заштукатуренную» оксидом свинца. В том же году английскому ученому Дж. Селлону был выдан британский патент на технологию изготовления аккумуляторных решёток из сплава свинца и сурьмы.
электрохимических элементов
В начале XX века Томас Эдисон занялся усовершенствованием аккумуляторов, чтобы приспособить их к нуждам транспорта. В результате появились на свет железно-никелевые аккумуляторы с едким кали в качестве электролита.
Победный парад
Из всех видов аккумуляторных батарей лучше всего к коммерческому применению оказались пригодны именно свинцово-кислотные. К 1890 г. их серийный выпуск был освоен во многих промышленно развитых странах. Первые стартерные аккумуляторы для автомобилей в 1900 г. произвела немецкая фирма Varta.
Сначала корпуса аккумуляторов были деревянными, затем - эбонитовыми. Несколько электрохимических элементов с рабочим напряжением около 2,1 В составлялись в аккумуляторные батареи. В результате возникли стандарты напряжения: 6 В (6,3 В) с тремя элементами в одном корпусе, 12 В с шестью и 24 В с двенадцатью элементами.
Почти полвека в автомобилях повсеместно использовалась 6-вольтовая бортовая электросистема, и только в 1950-х годах автомобилестроители во всём мире перешли на напряжение 12 В.
Эбонитовые корпуса батарей постепенно уступили место более лёгким и прочным полипропиленовым. Пионером в применении синтетических материалов в производстве корпусов аккумуляторов стала в 1941 г. австрийская фирма Baren, а полипропилен первой начала использовать в середине 1960-х американская компания Johnson Controls. В конструкцию свинцово-кислотных аккумуляторов вносились и другие изменения, повлиявшие на их электрические параметры и срок эксплуатации.
В 1970-е годы были созданы необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, способные работать в любом положении. Жидкий электролит в них заменяли гелиевым или адсорбированным (впитанным) сепараторами электролитом, корпуса герметизировали, а для отвода газов, выделяющихся при заряде или разряде, установили специальные клапаны. Строго говоря, полная герметизация свинцово-кислотных аккумуляторов невозможна, так как невозможно провести безопасную рекомбинацию кислорода и водорода, которые выделяются в них при перезаряде и продолжительном хранении. Но конструкторы смогли специальными мерами свести к минимуму выделение газов и потери воды в процессе эксплуатации.
Позднее были разработаны новые виды электродных пластин на базе медно-кальциевых сплавов, покрытых оксидом свинца, а также на основе титановых, алюминиевых и медных решёток. В целом за столетие свинцово-кислотные аккумуляторы прошли огромный эволюционный пуль. Если в конце XIX века наилучшие образцы обеспечивали удельную энергоёмкость 7-8 Вт•ч/кг, то современные изделия достигают показателя 40-47 Вт•ч/кг.
Вызов времени
Сегодня по тиражам на первое место уже вышли ионно-литиевые аккумуляторы, которые применяются в сотовых телефонах, фотокамерах, планшетах и т. д. Но если посчитать по суммарной мощности, то окажется, что свинцово-кислотные до сих остаются лидерами среди всех перезаряжаемых химических источников тока. Секреты успеха - это дешевизна используемых материалов и высокая автоматизация производства, а также существование разных моделей, приспособленных к требованиям широкого круга потребителей.
Понятно, что нынешний статус-кво долго не продержится. В преддверии широкого распространения электроприводных автомобилей и внедрения накопителей энергии промышленного масштаба все шансы вырваться вперёд имеет ионно-литиевая технология.
«Старички» тоже имеют виды на бум в системах накопления энергии. Консорциум производителей свинцово-кислотных аккумуляторов Advanced Lead Acid Battery Consortium, просуществовавший под этим названием четверть века, недавно был переименован в Consortium for Battery Innovation и готовит новые технологические прорывы.
В организации составлен план перспективных исследований и разработок, которые должны дать новую жизнь старой доброй свинцово-кислотной технологии. Началось глубокое изучение процессов, происходящих в батареях при их заряде и разряде, в реальном времени. К этой работе, в частности, привлечены учёные Аргоннской национальной лаборатории (США), где для исследований задействован источник синхротронного рентгеновского излучения.
Потребителей растущая конкуренция только радует.
Читайте другие наши материалы
