Статьи

Все теги

03.12.2021

История создания аккумуляторных батарей

03.12.2021, 01:57

Перед тем как окунуться в историю возникновения АКБ(аккумуляторная батарея), хотели бы попросить вас оглянуться по сторонам и обратить внимание на то, сколько устройств, которыми вы пользуетесь изо дня в день, работают на основе аккумуляторов. Этих устройств огромное количество и представить свою жизнь без них уже крайне сложно. Поэтому изобретение аккумуляторов можно считать поистине одним из самых значимых в сфере энергетики.

Первым делом, давайте определимся с термином «аккумулятор», что это такое, каков принцип работы и откуда взяло свое начало.

Аккумулятор - это устройство для накопления и хранения энергии с целью ее последующего использования. Слово произошло от лат. accumulator — собиратель. Аккумулятор способен преобразовывать электрическую энергию в химическую. А также в случае необходимости осуществлять обратное преобразование. Зачастую его используют как автономный источник электроэнергии. Для аккумуляторов характерны следующие параметры:

- электрохимическая система;

- напряжение;

- электрическая емкость;

- внутреннее сопротивление;

- ток саморазряда;

- срок службы.

Состояние же аккумулятора определяется согласно трем его ключевым показателям, это:

- реальная емкость;

- внутреннее сопротивление;

- ток самозаряда.

Принято считать, что первый ученый, который положил начало и внес внушительный вклад в изучение аккумулирующего эффекта – это Алессандро Вольта (см. рис. 1).В 1800 г., опираясь на знания и эксперименты своего предшественника Луиджи Гальвани, ему удалось разработать первый в истории человечества источник постоянного тока. Изобретение получило название «вольтов столб» (см. рис. 2). В его основу легла химическая реакция, возникшая в результате помещения медно-цинковой пары электродов, соединённых между собой проволокой, в кислоту. Цинковая пластина стала растворяться в кислоте, тогда как на медной появились пузырьки газа. Приложив электроскоп, Вольта подтвердил свое предположение о том, что по проволоке, соединявшей пластины, протекает электрический ток. Стало очевидно, что химический источник тока можно собрать самостоятельно.

Так, Вольта стал первым ученым, которому удалось сделать первую в мире батарею, способную вырабатывать электрический ток. Она получила название «гальванический элемент», в честь предшественника Вольта.

Рис. 1. Алессандро Вольта (18.02.1745-05.03.1827)

Рис. 2. Вольтов столб. Изобретение-предшественник современных батарей.

Продолжил работы Вольта немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер (см. рис.3). В 1802 г. он разработал сухой гальванический элемент, способный отдавать накопленную в нем электрическую энергию. Этот элемент был получен в результате использования электродов из серебра, золота, меди и других металлов, которые были отделены друг от друга кусками ткани, пропитанными растворами солей. Следующим важным изобретением Риттера стала электрическая аккумуляторная батарея в 1803 г. Она представляла собой столб, состоящий из пятидесяти медных шайбочек, между которыми была проложена влажная ткань, по которой был пущен ток от вольтова столба. В результате этого столб сам стал источником электричества.

Рис. 3. Иоганн Вильгельм Риттер (1776–1810)

Исследования не заканчивались, но только спустя десятки лет появились новые исследования в области аккумулирования энергии. В 1854 году немецкий военный врач Вильгельм Зинстеден использовал в своих опытах свинцовые электроды, которые погружали в серную кислоту определенной концентрации. Пропуская через них ток, положительный электрод покрывался двуокисью свинца, тогда как отрицательный не подвергался никаким изменениям. Замыкая отрицательный элемент и прекратив пропускание через него тока, в нем появлялся постоянный ток, который можно было обнаружить до тех пор, пока двуокись свинца полностью не растворялась в кислоте. Тогда он был близок к созданию первого свинцового аккумулятора, но, к сожалению, ему не хватило знаний и умений, чтобы довести до конца этот опыт.

Завершить этот эксперимент и таки создать свинцовый аккумулятор удалось в 1859. Используя знания Зинстедена, другой французский инженер Гастон Планте создал первую перезаряжающуюся батарею (см. рис.4, 5). Его аккумулятор состоял из свинцовых пластин, покрывающихся окисью свинца при воздействии током, и, выделяя кислород и жидкость - отдавали электрический ток. В сосуд с подкисленной водой помещали начинку прибора, которая состояла из двух листов свинца, накрученных на деревянный цилиндр и разделенных тканевой прокладкой. Эту конструкцию соединяли с изобретенной ранее электрической батареей. Далее, спустя некоторое количество времени, отключив батарею, можно было снять с аккумулятора ток, который какое то время сохранял бы постоянное значение. Самое главное отличие свинцового аккумулятора от изобретённых ранее в возможности его перезаряжать.


Рис. 4. Гастон Планте (1834-1889)	Рис. 5. Первый свинцовый аккумулятор, созданный в 1859 году.

Большой вклад в усовершенствование аккумуляторных батарей внес изобретатель Камилл Фор. В 1882 году благодаря его разработкам изготовление свинцовых аккумуляторов было удешевлено и упрощено. Суть его нововведений заключалась в том, что в конструкцию аккумулятора встраивали решетчатые свинцовые пластины, и ячейки этих пластин были набиты специальной, изготовленной заранее, массой. Благодаря этому после нескольких циклов подзарядки его аккумулятор приобретал значительную емкость.

В 1886 году Генри Тюдор разработал свою вариацию свинцово-кислотного аккумулятора. Разработка осуществлялась на основе аккумулятора Планте. Отличие заключалось в изменении конструкции электродов, он сделал плоские пластины и нанес на них рифление. В результате чего площадь активной поверхности значительно возросла. Благодаря чему увеличилась проводимость, и уменьшилось время зарядки. Именно Генри Тюдор придал АКБ привычную для нас сегодня форму ящика. Нововведения Тюдора позволили начать использование аккумуляторов в промышленных масштабах.

На протяжении долгого времени корпус аккумуляторов изготавливали из дерева. Но это не самая надежная оболочка, так как химические реакции, происходящие в моменты окисления электродов и кислотная среда батарей, приводили к ее быстрому разрушению. Позже корпуса стали делать из эбонита, так как он обладает высокими электроизоляционными свойствами. Сейчас, в современном мире, выбор материалов для корпусов аккумуляторов гораздо разнообразнее, чем ранее.

На сегодняшний день существует более 30 разновидностей аккумуляторов. Их названия определяются тем, какие два электрода используются для их построения. Одни из самых популярных – это никель-кадмиевые, литий-полимерные, литий-ионные и др.

Литий-ионные аккумуляторы – это универсальный тип батарей. Первый аккумулятор был выпущен в 1991 году компанией Sony. Давайте разберем суть работы данного вида батарей. В составе присутствует два электрода. На фольге из меди размещен анод, а на алюминиевой фольге – катод. Они разделены сепаратором, состоящим из жидкого электролита. Ионы лития обладают способностью проникать внутрь других материалов и химических элементов, перенося при этом положительные заряды. Это и провоцирует электрохимическую реакцию. Благодаря этому свойству и обеспечивается заряд, а также питание устройств.

К главным преимуществам литий-ионных аккумуляторов относятся:

- высокий уровень энергоемкости;

- длительный срок эксплуатации;

- независимо от диапазона температур корректное выполнение своих функций;

- низкий уровень саморазряда;

- малый вес.

Литий-ионные аккумуляторы применяются в большинстве мобильных устройств (см. рис.6,7).


Рис.6. Цилиндрическая разновидность литий-ионного аккумулятора.	Рис. 7. Призматическая разновидность литий-ионного аккумулятора.

Они практически не имеют аналогов, так как способны отдавать электричество в полном объеме. И еще, в формате долгосрочного использования этим аккумуляторам нет равных, потому что они способны выдерживать большое количество циклов разряд-заряд.

Таким образом, опираясь на вышеизложенные факты, можно понять, что история появления и развития аккумуляторов долгая и многоэтапная. Сейчас, пользуясь своими гаджетами, мы даже не задумываемся, что на протяжении многих-многих десятилетий самые умные ученые со всего мира работали над тем, чтобы дать человечеству постоянный источник энергии.