Каждый из нас, поднося к уху мобильный телефон, использует энергию, хранимую в аккумуляторе. Что уж говорить про автомобилистов или инженеров, не мыслящих нормальной деятельности без этих чудо-приборов! А когда-то аккумулятор был лишь плодом фантазий физиков-экспериментаторов.

Аккумуляторы могут быть не только электрические, но и тепловые, гидравлические и инерционные. Все они имеют разное устройство, но принцип у всех один и тот же — собирать или накапливать энергию. Наибольшее распространение получили аккумуляторы электрической энергии, без которых современная цивилизация просто немыслима.

Лапка лягушки

В конце XVIII века Луиджи Гальвани, экспериментируя с мышцами лягушки, заметил, что мускул ее лапки сокращается, если его коснуться металлической палочкой. Итальянец предположил, что мускул генерирует электричество, и дал ему название «животное электричество». В дальнейшем ученые опровергли эту гипотезу.

Но перед тем в 1800 году Алессандро Вольта решил вместо мышечного волокна использовать растворы различных жидкостей. А вместо одной палочки использовал две. В паре с цинком, свинцом, оловом или железом Вольта использовал медь, серебро, золото или графит. Первую группу ученый классифицировал как положительные пластины, вторую — как отрицательные. Пропуская через жидкости ток, физик увидел, что при его отключении жидкость сама становится источником тока. Такая картина наблюдалась именно при совмещении пластин из разных групп. Когда же пластины, пусть и разных металлов, относились к одной группе — ничего не получалось.

В честь предшественника Вольта назвал полученную батарейку гальваническим элементом. Он же заметил, что если элементы сложить друг с другом, то напряжение увеличится. Так был открыт принцип аккумуляторной батареи. Впрочем, демонстрация открытия перед Лондонским королевским обществом фурора не вызвала, ибо слушатели увидели лишь небольшое количество искр в течение долей секунды. Куда внимательнее к открытию Вольты отнеслись во Франции. Кстати, его лекции в Национальном институте Франции в 1802 году приходил слушать сам Наполеон Бонапарт и был впечатлен услышанным.

В том же 1802 году задумку Вольты усовершенствовал доктор Уильям Крюйкшенк. Медные квадраты ученый спаял по концам с такими же квадратами из цинка и поместил несколько таких пар в отсеки длинной деревянной коробки. Для герметизации коробку обмазывали цементом. А затем в нее помещали морскую воду, выполнявшую роль электролита.

В 1803 году Иоганн Вильгельм Риттер придумал другой тип аккумулятора. 50 медных кружков он сложил поочередно с такими же кружками из сукна, пропитанными электролитом. Полученный столб при пропуске через него тока в дальнейшем сам испускал электричество. В 1836 году британский химик Джон Фредерик Даниель изобрел батарею, дававшую более стабильное напряжение, чем все предыдущие разработки.

Драгоценные пластины

Прорыв в аккумуляторной эволюции совершил французский физик Гастон Планте. В 1859 году он придумал аккумулятор из двух одинаковых пластин свинца, навитых на деревянный цилиндр и разделенных тканевой прокладкой. Конструкцию помещали в раствор подкисленной воды и подключали к источнику тока. Когда через пять часов источник отключали, устройство Планте выдавало сильный ток в течение нескольких минут. Аккумулятор Планте стал прадедушкой современных свинцово-кислотных аккумуляторов, используемых в автомобилях.

Устройство Планте имело существенный недостаток — невысокую емкость. Чтобы ее повысить, производили многократное количество циклов заряда-разряда. Но более-менее внятная емкость получалась только после двух лет таких перезарядок. Причиной была конструкция пластин, которую стали улучшать последователи Планте.

В 1878 году Камилл Фор придумал применять в аккумуляторах намазные электроды. Их изготавливали путем нанесения на пластины окислов свинца. Это серьезно увеличило емкость батарей. В 1881-м немецкий банкир Фолькмар сменил электроды на намазную решетку. А физик Селлон получил патент на технологию производства решеток из сплава свинца и сурьмы.

Внедрению свинцовокислотных аккумуляторов мешало отсутствие простых зарядных устройств. Только когда появились недорогие генераторы постоянного тока, ситуация стала меняться. Тогда же на свинцово-кислотные батареи обратили внимание производители автомобилей. В 1900 году германская компания VARTA выпустила первую партию стартерных аккумуляторных батарей для самобеглых колясок.

А в 1899 году швед Вальдмар Юнгнер придумал конструкцию никель-кадмиевого аккумулятора, где никелевый электрод был катодом, а кадмиевый — анодом. Аналогичную конструкцию, только с железом вместо кадмия, предложил и знаменитый американский изобретатель Томас Алва Эдисон. Впрочем, оба варианта, несмотря на неплохие характеристики, не пошли в народ — прежде всего из-за высокой стоимости.

Следующим поворотным пунктом стало изобретение в 1932 году Шлехтом и Акерманом спрессованного анода. Вкупе с другими улучшениями это привело к тому, что аккумуляторы стали держать более высокий ток продолжительное время. А в 1947 году Ньюман сконструировал герметичный никель-кадмиевый аккумулятор, чьи потомки сегодня стоят в миллионах мобильных устройств.

Кулоны под капотом

Почти всю первую половину XX века развитие аккумуляторной техники делилось на два направления — автомобильные (стартерные) аккумуляторные батареи и все остальные. До конца 1940-х годов почти все автомобили имели электрооборудование, рассчитанное на 6 вольт, и, соответственно, батареи тоже были такого же номинала. Но позднее конструкторы решили, что батареи на 12 вольт лучше отвечают потребностям новых конструкций автомобилей. В итоге 99% автотехники имеет АКБ на 12 вольт, особо тяжелые грузовики, троллейбусы и трамваи — 24 вольта, и только в мотоциклах по-прежнему актуальны аккумуляторы на 6 вольт.

В 1970-х годах появились необслуживаемые свинцовокислотные аккумуляторы. Такие батареи были герметичны, а газы из них выводились через клапаны. Благодаря новым технологиям выделение газов и потерю воды удалось минимизировать. Позднее были придуманы автомобильные аккумуляторные батареи на основе медно-кальциевых сплавов с покрытием из оксида свинца, а также с электродами из титановых, алюминиевых и медных решеток.

Автомобилисты привыкли считать, что емкость их аккумулятора измеряется в ампер-часах. Тем более что на них так и написано — например, 55 ампер-часов. Но это не так. Емкость батареи измеряют в кулонах. Один кулон равен одному амперу в секунду. А ампер-час, соответственно, равен 3600 кулонам. На АКБ производители указывают совсем не емкость, а количество электричества, которое батарея дает при определенном токе разряда и определенном времени его прохождения.

Другое направление развития электрических аккумуляторных батарей — устройства питания различных мобильных устройств, например радиостанций или переносных электронных гаджетов. Первые советские дисковые и пальчиковые аккумуляторы Д-0,26 и НКГЦ собирались на ставропольском заводе «Аналог» почти вручную.

В 1991 году компания Sony вывела на рынок первый литийионный аккумулятор. В качестве отрицательных пластин здесь применялся металлический литий, позднее — каменноугольный кокс, а затем — графит. В качестве положительных пластин — литий. Были случаи, когда первые образцы взрывались. Но все же такой тип аккумуляторов оказался самым востребованным для миллиардов сотовых телефонов, ноутбуков, фотоаппаратов, видеокамер и даже электромобилей. В настоящее время литийионные аккумуляторы активно замещаются литий-железо-фосфатными.

Прохор ЕЖОВ