в каком году придумали аккумулятор
Батарейки и аккумуляторы: маленький исторический экскурс
Как ни удивительно это звучит, но век мобильных электрохимических энергоносителей начался с вздрагивающих лягушачьих лапок. Луиджи Гальвани добился этого за счет простого соприкосновения мускулов земноводного с двумя металлами, в данном случае – с медью и железом (Рис. 1). Даже не подозревая о том, что он инициирует электрохимический процесс, который впоследствии приведет к появлению на свет батареек и аккумуляторов, Гальвани создал электрическую цепь. Соленая вода в амфибии стала электролитом, а дрожащие мышцы показывали электрическую активность. Таким образом, возникла первая гальваническая ячейка или гальванический элемент. Он состоит из двух разных электродов и электролита, и предназначен для преобразования химической энергии в электрическую.
Рис. 1. Опыты Гальвани на лягушках привели к последующему созданию батареек.
Вольта изобретает первую батарею
Десять лет спустя после открытия Гальвани его соотечественник Алессандро Вольта впервые создал простейшую батарею: так называемый «вольтов столб». При этом Вольта положил друг на друга много медных и цинковых пластин и прослоил их кусочками сукна, пропитанного соляной кислотой, благодаря чему возникало напряжение. Однако его работы признали не сразу, но, тем не менее, назвали в его честь единицу электрического напряжения – Вольт. Эту первоначальную батарею и быстро распространяющийся после опытов на лягушках «гальванизм» нужно поблагодарить за то, что в XIX веке электричество стало играть в химических изысканиях ученых все большую роль.
Вскоре после того, как Вольта представил изумленной общественности столб, генерирующий электрическую энергию, Уильям Крюйкшенк в Шотландии совершил очередной прорыв: изобрел гальванический элемент Крюйкшенка (Рис. 2) и тем самым заложил основу для массового производства батарей. Итак, 1802 год можно смело назвать отправной точкой в истории электрических батарей, пригодных для массового производства.
Чуть позже были открыты и аккумуляторы. Одновременно с шотландцем Крюйкшенком немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер изобрел «зарядный столб», который можно назвать предшественником современных аккумуляторов или заряжаемых батарей. Подобно вольтову столбу, его устройство состояло из медных кружков, прослоенных пропитанными поваренной солью картонными шайбами. Эту конструкцию можно было заряжать электрическим током и снова разряжать.
Рис. 2. Массовое производство стало возможным после изобретения горизонтального гальванического элемента Крюйкшенка.
Возникновение сухих батарей
Всемирное распространение аккумуляторов
Военная продукция как предшественник батареек для слуховых аппаратов
Начало массового производства
Одной из важных ступеней в стимуляции массового производства батареек для слуховых аппаратов стало появление в 1906 году концерна Rayovac. В 1937 году предприятие начало выпускать первый портативный слуховой аппарат на электронных лампах. Фабрика по выпуску батареек для аппаратов Rayovac открылась в 1963 году в США, в 1989 году открылась вторая, уже в Великобритании. В 1977 году было освоено массовое производство воздушно-цинковых батареек, которые и сегодня господствуют на рынке. Изобретение вращающейся дисковой упаковки, в которой можно продавать маленькие круглые батарейки количеством до 36 штук, также является частью истории предприятия. В следующем году этой упаковке исполнится 50 лет!
В Германии первые подзаряжаемые газонепроницаемые миниатюрные аккумуляторы выпускаются начиная с 1950 года в Хагене германской Эдисоновской аккумуляторной компанией (DEAC), которая является дочерней фирмой компании VARTA. Сама же VARTA Batterie начала массовый выпуск серебряно-окисных элементов и батареек-таблеток для слуховых аппаратов в 1973 году на заводе в Эльвангене. С 1980 года там же изготавливаются и экологически безвредные воздушно-цинковые батарейки.
Аккумулятор
Аккумулятором называется устройство для накопления энергии с целью ее использования. Переводится с латинского, как собиратель, накопитель. Они бывают нескольких видов — электрические, тепловые, гидравлические и инерционные. Наиболее распространенные из них — электрические, накапливающие электрическую энергию. Они состоят из положительного (анод) и отрицательного (катод) электродов, которые погружены в электролит (кислота или щелочь). Электроды должны быть из разных металлов. Аккумулятор не будет источником тока, если в электролит погрузить электроды из одинакового металла. Аккумуляторы используются на электрокарах, автомобилях, подводных лодках, в радиоприемниках, плеерах, сотовых телефонах, электрических фонариках.
Принято считать, что начало изобретению аккумуляторов положил Луиджи Гальвани, который проводил физиологические исследования на лягушках. Ученый заметил, что у лягушки на лапке начинает самопроизвольно сокращаться мышца, если к ней дотрагиваться двумя полосками из разных металлов. Ученый ошибочно решил, что мышца лягушки вырабатывает электричество, явление назвали «животным электричеством». Вскоре этим необычным явлением заинтересовался известный физик А.Вольта, который установил ошибочность заключений, сделанных Гальвани. Он установил, что ток возникает в результате химической реакции между двумя пластинками из разных металлов. В качестве положительных пластин он брал олово, свинец, цинк или железо, в качестве отрицательных — медь, золото, серебро или графит.
А. Вольт в 1800 году поместил медную и цинковую пластинки в соляной раствор, получив таким образом, первый химический источник тока. Правда, эффект получения энергии химическим путем был назван гальванизмом, а первую в мире батарейку, собранную А. Вольта, назвали гальваническим элементом. В этом же году Вольта сделал доклад перед Лондонским Королевским Обществом об открытии им непрерываемого источника электричества. Вскоре об открытии стало известно во Франции, которая первая официально признала открытие.
Доктор У. Круикшанк в 1802 году впервые создал серийную электрическую батарею, которая годилась для массового производства. Квадратные листы из меди доктор спаял на концах с листами из цинка этого же размера. Листы помещались в длинную деревянную коробку со специальными углублениями для фиксации пластин. Коробка запечатывалась цементом. После сборки ее заполняли электролитом (как правило, морской водой) или кислотой. Английский химик Даниелл в 1836 году создал лучшую батарею, чем устройство Вольты. Эта батарея вырабатывала более стабильный ток. Правда, все изобретенные батареи составлялись из первичных ячеек, что не позволяло им перезаряжаться, а значит, называться аккумуляторами в полном смысле.
Аккумулятор Планте
Первую перезаряжающуюся батарею (аккумулятор) создал французский физик Г. Планте в 1859 году, положив начало техники на аккумуляторах. Аккумулятор состоял из 2-х свинцовых пластин одного размера, которые были навиты на деревянный цилиндр. Разделяла их тканевая прокладка. 
Прибор опускали в сосуд с подкисленной водой, затем соединяли с электрической батареей. Через несколько часов батарею отключали, а с аккумулятора была возможность снимать довольно сильный ток, сохранявший постоянное значение в течение некоторого времени. Этот аккумулятор на свинцово-кислотной основе используется и сейчас.
В 1899 году швед В. Юнгнер создал никель-кадмиевый аккумулятор, а в 1901 году Эдисон никель-железный аккумулятор. Правда, из-за высокой стоимости оба аккумулятора не имели большого практического применения. Хорошо известный сегодня никель-кадмиевый герметичный аккумулятор стал доступен лишь в 1947 году после создания Ньюманом полностью герметичного элемента.
История аккумуляторных батарей.
Первый работоспособный свинцово-кислотный аккумулятор был изобретен в 1859 г. французским ученым Гастоном Планте.
Конструкция аккумулятора представляла собой электроды из листового свинца, разделенные сепараторами из полотна, которые были свернуты в спираль и помещены в сосуд с 10 % раствором серной кислоты.
В 1880 г. К. Фор предложил методику изготовления намазных электродов путем нанесения на пластины окислов свинца. Такая конструкция электродов позволила значительно повысить емкость аккумуляторов. А в 1881 г. Э. Фолькмар предложил применять в качестве электродов намазную решетку. В том же году ученому Селлону был выдан патент на технологию изготовления решеток из сплава свинца и сурьмы.
Именно свинцово-кислотные батареи первыми в мире из аккумуляторных батарей нашли коммерческое применение. К 1890 году во многих промышленно развитых странах был освоен их серийный выпуск. В 1900 году немецкая фирма Varta произвела первые стартерные аккумуляторы для автомобилей.
В 70-х годах XX века были созданы необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, способные работать в любом положении. Жидкий электролит в них сменили гелиевым или адсорбированным (впитанным) сепараторами электролитом, батареи герметизировали, а для отвода газов, выделяющихся при заряде или разряде, установили клапаны. Строго говоря, абсолютная герметизация свинцово-кислотных аккумуляторов не может быть достигнута, так как нельзя обеспечить полную рекомбинацию кислорода и водорода, которые выделяются в них при заряде и хранении. Но специальными мерами выделение газов и потери воды в процессе эксплуатации удается свести к минимуму.
Были разработаны новые конструкции пластин на базе медно-кальциевых сплавов, покрытых оксидом свинца, а также на основе титановых, алюминиевых и медных решеток.
Свинцовые аккумуляторы являются наиболее распространенными среди всех существующих в настоящее время химических источников тока. Их масштабное производство определяется как относительной дешевизной используемых материалов и высокой степени автоматизации производства, так и разработкой разных вариантов этих аккумуляторов, отвечающих требованиям широкого круга потребителей.
Наилучшие образцы первых аккумуляторов, конца 19в., имели удельную энергию по массе 7-8 Вт•ч/кг при продолжительном разряде (у нынешних образцов 40-47 Вт•ч/кг).
Сейчас выпускаются герметизированный автомобильные аккумуляторы с иммобилизованным (гелеобразным или абсорбированным) электролитом, эти аккумуляторы обеспечивают работоспособность в любом пространственном положении и применяются в системах резервного и аварийного энергоснабжения, бытовой технике и т.п.
В ходе разряда аккумулятора активная масса отрицательного электрода превращается из губчатого свинца в сульфат свинца, со сменой серого цвета на светло-серый, отдавая два электрона в электрическую цепь.
Pb + HSO4- → PbSO4 + H+ + 2e-
Активная масса положительного электрода по ходу разряда превращается из двуокиси свинца PbO2, так же как и активная масса отрицательного электрода, в сульфат свинца PbSO4 с изменением цвета с темно-коричневого на светло-коричневый, поглощая два електрона.
PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O
В результате разряда аккумулятора активные материалы и положительного (PbO2), и отрицательного (Pb) электродов преобразуются в сульфат свинца PbSO4. При этом на формирование сульфата свинца расходуется серная кислота, что вызывает снижение концентрации электролита и как следствие снижение его плотности. Суммарная реакция при разряде аккумулятора:
PbO2 + Pb + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
При зарядке аккумулятора идут обратные в противоположную сторону, в ходе которых кроме всего прочего происходит образование серной кислоты, в результате чего при заряде растет плотность электролита. Суммарное уравнение процесса заряда:
2PbSO4 + 2H2O → PbO2 + Pb + 2H2SO4
Каждый аккумулятор состоит из пространственно разделенных разноименных электродов, погруженных в раствор электролита и помещенных в прочный корпус, который устойчив к химическому воздействию электролита, механическим нагрузкам и температурным колебаниям.
Раньше для изготовления корпуса аккумуляторов использовали эбонит, который обладает относительно низкой механической прочностью. Поэтому стенки эбонитовых блоков имеют толщину 6-8 мм для аккумуляторных батарей до 90 А•ч и 9-12 мм при емкости более 100 А•ч. При переходе с эбонита на сополимер полипропилена с этиленом, удается уменьшить толщину стенок в два раза и понизить массу корпусных деталей без ухудшения их надежности.
Кто придумал аккумулятор?
Если проследить историю, которая касается создания аккумулятора, то становится очевидно, что первый шаг к созданию аккумуляторов сделал Алессендро Вольта. Однако изобретатель аккумулятора в самом начале даже не догадывался о том, как сделать полученный им гальванический элемент перезаряжаемым. Второй ученый из Германии по имени Вильгель Зинстеден осуществлял наблюдение за эффектом получения постоянного тока во время погружения пластин из свинца в серную кислоту. Однако выводы вторым ученым так и не были сделанными, его работа так и не нашла своего применения на практике.
В действительности созданием аккумулятора человечество обязано французам. Ученый из Франции по имени Гастон Плант в 1859 году создал прототип аккумулятора — свинцово-кислотную батарею. Созданную батарею можно было в отличие от гальванической батареи перезаряжать. Изобретатель лампочки Томас Эдисон проявил интерес к свойствам аккумулирующей батареи, которая оказалась способной к перезарядке. Непосредственно Томас Эдисон первый придумал использовать аккумуляторы для нужд транспорта, а так же способствовал началу массового производства аккумуляторов для автомобилей. Эдисон представлял собой не просто легендарного ученого, но так же ученым, мысли которого практичны, именно благодаря ему электричество стало приносить человеку пользу.
С тех пор суть процесса аккумулирования энергии в свинцово-кислотной батарее ничуть не изменилась, изменились только материалы, используемые при ее производстве. Более старые аккумуляторы имели корпус из эбонита, более современные аккумуляторы предусматривают корпус из полипропилена. Эбонит представляет собой материал, который обладает невысокой ударопрочностью, полипропилен же не только обладает стойкостью к механическим повреждениям, но и является более дешевым материалом.
Таким образом, аккумуляторы пришли в нашу жизнь из далекого прошлого, но до сегодняшних дней остаются востребованными и незаменимыми.
Рынок аккумуляторов ждет революция. Когда они перестанут быстро садиться и взрываться?
В первой половине XXI века человечество начинает отказываться от машин на двигателе внутреннего сгорания. Традиционные средства передвижения перестанут производить уже скоро — на горизонте 10-20 лет отказ от ДВС кажется вполне реальным. Осталось только решить проблемы электрических силовых установок — новых источников движения. Что тормозит развитие автомобилей на электротяге, какие существуют недостатки современных аккумуляторов и как улучшить батареи, — читайте в материале «Ленты.ру».
Летом 2021 года Илон Маск упрекнул Apple в провале борьбы за экологию планеты. По словам Маска, в батарее для iPhone используется недопустимое количество кобальта, при этом в Tesla уже придумали, как снизить его долю до двух процентов. Кобальт — один из самых проблемных материалов, используемых в аккумуляторах. Батареям без него не обойтись, но данный элемент добывают с нарушением условий труда в Демократической Республике Конго, а также он очень токсичен.
В истории производства современных аккумуляторов есть очень много проблемных вопросов, поэтому радоваться Маску как минимум преждевременно. Даже полный отказ от кобальта, что сейчас в принципе невозможно, не гарантирует безопасности и высокого качества батарей. Что еще не позволяет назвать современные электрокары — главных потребителей мощных аккумуляторов — самым экологичным и эффективным видом транспорта?
Проблемы быстрых людей
Не только компании по производству электрических автомобилей, но и сегмент потребительской электроники зависят от лития. Первый прототип литий-ионной батареи в 1980 году создал американский инженер Джон Гуденаф. Современный вариант аккумулятора для гаджетов и автомобилей запатентовала компания Sony — это случилось в 1991 году. На фоне традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов литий-ионные могут выдать больше энергии и имеют больший срок эксплуатации. Однако у лития есть два больших недостатка. В первую очередь это цена, которая растет из-за увеличения спроса на материал. Также литий-ионные батареи зависят от внешней среды — они теряют эффективность после тысячного цикла зарядки, легко воспламеняются, выдают низкую мощность при отрицательных температурах, дороги при транспортировке.
Так как Tesla находится в авангарде рынка электрокаров (по крайней мере, в медийном плане), все проблемы продукции концерна рассматривают под микроскопом. Как и автомобили других производителей, машины Tesla попадают в ДТП, горят, взрываются, но к транспортным средствам будущего всегда приковано повышенное внимание. Дорожно-транспортные происшествия, как правило, возникают из-за двух моментов — проблем с автопилотом и аккумулятором. Если первое можно исправить на уровне софта, то неполадки с батареями будут внушать опасения на протяжении всего срока эксплуатации авто — как минимум их нынешним хозяевам.
Судя по новостям, основанные на литий-ионных аккумуляторах машины компании Маска крайне быстро загораются, а ликвидация последствий аварии связана с риском для спасателей и пожарных. Случаи возгорания батарей происходят как на парковке, так и в движении. Довольно часто батарея загорается при сильном ударе или перегреве. Например, в апреле два человека погибли в электрокаре Tesla после столкновения с деревом. Машина загорелась, пожар тушили около четырех часов.
Климат также мешает нормальной эксплуатации машин на электрической тяге. Если бензиновый автомобиль примерно одинаково функционирует как при низкой, так и при высокой температуре, то сезонные колебания температуры сильно влияют на технические характеристики электрокара. Как правило, зимой батареи быстро садятся, а летом могут перегреться.
Несмотря на недостатки лития, от этого материала точно не откажутся в ближайшие десятилетия. По оценке аналитиков BloombergNEF, в ближайшие несколько лет рынок решит одну из проблем — вопрос с ценой материала. Специалисты заявляют, что в начале XXI века литий-ионные батареи стоят в 30 раз дешевле, чем в 1990-х годах. К 2023 году стоимость аккумуляторов снизится до ста долларов за киловатт-час, что на 20 процентов ниже, чем сейчас.
Что с экологией? Как и в случае с экономикой, вопрос безопасной переработки будет решен благодаря эффекту масштаба. Ученый Ханс Эрик Мелин полагает, что как только на рынке окажется огромное количество изношенных батарей — буквально миллионы тонн, — то сразу появится адекватное предложение. Утилизировать аккумуляторы будет экономически обоснованно. Это видно на примере свинцово-кислотных аккумуляторов, которые успешно перерабатываются, даже несмотря на то, что свинец является очень дешевым материалом. «Из-за объема утилизировать его выгодно», — считает специалист по хранению энергии в Исследовательском институте электроэнергетики в Пало-Альто Хареш Камат.
Как нам обустроить EV?
Если с вопросами стоимости и экологии будет покончено, то остальные недостатки современных аккумуляторов можно будет решить с помощью технического прогресса. Одним из вариантов повышения эффективности батареи является добавление в ее состав кремния. Даже если кремний будет составлять менее десяти процентов от состава аккумулятора, это увеличит плотность накапливаемой энергии до 400 ватт-час. Также будет увеличен срок службы и огнестойкость элементов. Батареи с добавлением кремния подходят для быстрой зарядки, а значит, время на полную заправку электрокара можно будет сократить.
Специалисты ABI Research предсказывают постепенное добавление кремния в аккумуляторы в период с 2023 по 2025 годы. Через несколько лет будет создана батарея с показателем плотности энергии 400 ватт-час.
«Литий-кремниевые и твердотельные аккумуляторы — это технологии, на которых будут основаны будущие электрокары», — заявил ведущий аналитик ABI Research Джеймс Ходжсон. Твердотельные батареи отличаются от традиционных тем, что основаны на плотных материалах, например, керамике или стекле. Преимущества подобных аккумуляторов очевидны. Во-первых, чем меньше деталей в компоненте, тем ниже риск поломки. Во-вторых, твердотельные батареи сохраняют 90 процентов емкости даже после пяти тысяч циклов, в-третьих, рассчитаны на быструю зарядку — до 80 процентов за 15 минут.
Одной из новейших инициатив в улучшении батарей для электрокаров является разработка литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Ученые Университета штата Пенсильвания в начале 2021 года создали прототип батареи, которая имеет запас хода 400 километров и заряжается всего за десять минут. Общий ресурс такого элемента составляет более трех миллионов километров. Ключевой особенностью батареи является ее способность быстро нагреваться до 60 градусов и так же быстро остывать. При подключении к источнику энергии тонкая никелевая фольга, один конец которой прикреплен к отрицательной клемме, а другой выходит за пределы ячейки, нагревает внутреннюю часть батареи.
В результате такого самонагрева можно не беспокоиться о неравномерном распределении лития в компоненте или — простыми словами — о возникновении опасной ситуации в процессе быстрой зарядки. Благодаря своей конструкции, литий-железо-фосфатные аккумуляторы предпочтительны в использовании в спортивных электромобилях. «Машина с такой батареей может разгоняться с нуля до 60 километров в час за три секунды и будет “топить”, как Porsche», — отметил заведующий кафедрой машиностроения университета Чао-Ян Ван.
Одним из трендов в автомобилестроении — конкретнее, в сегменте электрокаров последних лет — является постепенная ориентация на бюджетный сектор. Например, Tesla из-за государственных субсидий уже продает в Китае свои автомобили со скидкой, а в недалеком будущем компания намерена выпустить полностью автономный электрокар дешевле 25 тысяч долларов. Поэтому многие автопроизводители сейчас обращают внимание на натриево-ионные аккумуляторы.
Материалы по теме
Microsoft представила Windows 11:
Нам бы их проблемы
Элементы такого типа использовались еще в 1970-х годах, однако литий-ионные аккумуляторы в конце XX века считались более перспективными. Проблемы последних заставляют продолжить работу над батареями на основе натрия. Натриево-ионные аккумуляторы не устроят революцию в отрасли, но могут дать развитие сегменту доступных электромобилей. В первую очередь такой тип компонентов безопасен — они имеют более низкую плотность энергии, медленнее заряжаются и не так предрасположены к воспламенению. В этой связи батареи могут прослужить дольше, чем литий-ионные аккумуляторы.
Также зарядные элементы такого типа гораздо дешевле в производстве. По оценке аналитиков Jefferies Group LLC, в земных недрах содержится в 300 раз больше натрия, чем лития. Распределение этого материала более равномерно, поэтому автопроизводители не страдают от дефицита и не зависят от политической конъюнктуры в одной конкретной стране, что наблюдается в случае с кобальтом.
Большая проблема натриево-ионных аккумуляторов заключается в том, что в мире еще не налажены стабильные цепочки поставок основного компонента. Однако к 2023 году ситуация изменится в лучшую сторону.
Если говорить о кобальте, то производители батарей могут постепенно отказаться от этого материала — как и мечтал Илон Маск. В конце лета 2021 года китайская компания SVOLT разработала первый аккумулятор для автомобилей, не имеющий в своем составе кобальта.
Детали проекта не раскрываются, но известно, что электрокар на базе данного элемента может проехать до 600 километров на одном заряде и разогнаться до ста километров в час за пять секунд. Если технология бескобальтовых батарей станет флагманской на рынке, то индустрия решит проблему зависимости от одного компонента, а ситуация с эксплуатацией детского труда может измениться в лучшую сторону.