Если бы 2700 лет назад древнегреческий философ Фалес не обратил внимание на взаимодействие шерсти и янтаря, если бы в 1600 году не был введен термин «электричество», а в 1800 году Аллесандро Вольта не заинтересовался пластинами из цинка и меди, возможно современный мир был бы намного скучнее. Как известно, первые опыты, показавшие возможность аккумулировать, то есть скоплять электрическую энергию, были произведены вскоре после открытия итальянским ученым Вольтой явлений гальванического электричества. Желая понять природу электричества и в прямом смысле слова «почувствовать его вкус», Алессандро Вольта экспериментировал с монетами, изготовленными из разных металлов. Положив одну из них на язык, а другую под, и соединив их проволокой, Вольта отмечал присутствие характерного кисловатого привкуса. Так острота вкусовых рецепторов человека привела к открытию гальванического электричества.
В 1801 году французский физик Готеро, пропуская через воду посредством платиновых электродов ток, обнаружил, что после того, как ток через воду прерван, можно, соединив между собой электроды, получить кратковременный электрический ток.
Ученый Риттер проделывал затем тот же опыт, употребляя вместо платиновых электродов электроды из золота, серебра и меди и, отделяя их друг от друга кусками сукна, пропитанными растворами солей, он получил первый вторичный, то есть способный отдавать запасенную в нем электрическую энергию, элемент.
Большое практическое усовершенствование в развитии аккумуляторов было внесено в 1859 году Гастоном Планте, который в результате длинного ряда опытов пришел к типу аккумулятора, состоящего из свинцовых пластин с большой поверхностью, которые при заряжении током покрывались окисью свинца, а, выделяя кислород и жидкость, отдавали электрический ток.
Планте брал две полосы из листового свинца, прокладывал между ними полосы сукна и сворачивал полосы вокруг круглой палки. Затем получившийся сверток он стягивал резиновыми кольцами и ставил в сосуд с подкисленной водой. При многократном заряжании и разряжании такого аккумулятора на поверхности пластин образовывался активный действующий слой, который участвовал в процессе и придавал элементу большую емкость.
Свинцово-кислотные аккумуляторы сегодня
За всю историю развития свинцового аккумулятора принцип действия остался прежний. И сейчас при производстве свинцово-кислотных аккумуляторных батарей в корпус монтируют разнополярные электроды, разделенные сепаратором, заливают водный раствор серной кислоты (электролит) и соединяют однополярные электроды между собой с выводными борнами для подключения к источнику питания или зарядному устройству.
Но научно-технический прогресс не стоит на месте, а поэтому развитие и совершенствование получили конструктивные элементы свинцово-кислотных аккумуляторов.
Прежде всего, это состав и конструкция электродов. Свинец мягкий материал, поэтому для придания прочности в сплав электродов малообслуживаемых батарей обычно добавляют сурьму, а для сокращения газовыделения в герметизированных аккумуляторах, где нет возможности восполнения уровня электролита – кальций. Существуют различные сплавы электродов по составу. Тут может присутствовать, и селен, и олово, и даже серебро. По типу производят следующие типы электродов: большой поверхности (электрод «Планте»), трубчатый (панцирный), стержневой и намазной (решетчатый). Каждый из этих типов монтируется в определенные серии аккумуляторных батарей в зависимости от условий эксплуатации. Это может быть и короткие режимы разрядов большими токами, и длительные разряды малыми токами и т.д.
Развитие получили и корпуса свинцовых аккумуляторов по материалу изготовления. В течение продолжительного времени корпус аккумуляторов изготавливался из дерева. Увы, реакции, происходящие в моменты окисления электродов, и кислотная среда батарей приводили к быстрому разрушению органической оболочки. Дерево заменили на эбонит – каучук с большим содержанием серы, обладающий высокими электроизоляционными свойствами. Сейчас корпуса изготовляют из полипропилена (РР), акрило-бутадиен-стирола (ABS) и стирол-акрил-нитрила (SAN). Всех их объединяет то, что они ударопрочные, различает степень огнестойкости, степень прозрачности материалов и состав синтетических добавок для придания стойкости к различным условиям эксплуатации.
Полюсные выводы также подверглись модернизации. Изготовляют их и в виде клеммного соединения, и конусного вида, и под различные диаметры болтов как внутреннего типа, так и под болты с гайкой, и сварного типа. Расположение также формируют в зависимости от размещения аккумуляторов на объектах: сверху, сбоку, с торца (так называемое фронт-терминальное исполнение).
Электролит тоже имеет различную плотность в зависимости от назначения аккумулятора. Для буферного режима эксплуатации он в пределах 1,24 кг/л, для циклического и стартерного, где идет повышенная нагрузка – в пределах 1,28 кг/л.
Но самое главное совершенство в конструкции получили разнообразие типов свинцово-кислотных аккумуляторов по типам герметизации. Сегодня в эксплуатации на объектах еще можно встретить так называемые обслуживаемые батареи (полностью открытые типы). В основном наибольшую популярность получили на объектах малообслуживаемые (заливные) аккумуляторы и герметизированные, которые, в свою очередь, разделяются на AGM-технологию со стекловолокнистым сепаратором и GEL-технологию, где электролит находится в загущенном состоянии.
Совершенствование конструкций свинцово-кислотных аккумуляторных батарей продолжается и сегодня. Например, в сплав электродов аккумуляторных батарей, выполненных по технологии AGM многие производители стали добавлять углеродный композит, называемый карбоном. Это позволило добиться снижения процесса сульфатации при частичном разряде, улучшения разрядных характеристик, увеличения цикличности использования, срока службы в буферном режиме и сроков хранения без подзаряда, сокращения сроков ускоренного заряда (повышенным напряжением) и уменьшения при этом тепловыделения.
При всех этих конструктивных отличиях общий принцип работы и протекания электрохимических процессов внутри батарей остается прежним.
Стремительное развитие рынка аккумуляторов
Прогресс в индустрии аккумуляторных батарей движется настолько быстро, что проследить за той чередой открытий, которые пришлись на последние пятьдесят лет практически невозможно. На сегодняшний день существует более 30 разновидностей аккумуляторов, при построении которых используются два различных электрода, чем и определяется их название. Сегодня на мировом рынке уже получили признание и такие типы аккумуляторных батарей, как никель-кадмиевые, никель-металл-гидридные, литий-ионные и другие.
Ведутся и дальнейшие разработки в этом направлении. Имеются разработки по созданию литий-воздушных аккумуляторов (где в качестве окислителя используется кислород), литий-серных аккумуляторов (с электродами из серы и углерода), аккумуляторов с золотыми нанопроводниками (способные выдерживать до 200 тыс. циклов заряда-разряда), магниевых аккумуляторов (компания «Toyota»), твердотельных аккумуляторов (прототип суперконденсаторов), графеновых аккумуляторов (со сроками зарядки в пределах нескольких минут), натрий-ионных аккумуляторов (с использованием обычной соли), пенных аккумуляторов (на основе субстрата пенометалла – меди), алюминий-ионных аккумуляторов и эластичных (гибких носителей энергии) аккумуляторов.
Но, к сожалению, все эти разработки крайне медленно приближаются к коммерческому уровню поскольку все они пока не вышли в массовое производство, не доказали свои практические преимущества, а пробные партии имеют несравнимо высокую цену по сравнению с традиционными, проверенными временем, выпускаемо серийно, промышленных образцов аккумуляторных батарей.
Будущее автономного энергопитания во многом зависит от совершенствования аккумуляторов — они должны весить меньше, заряжаться быстрее и при этом производить больше энергии.
Поэтому пройдет еще немало времени, прежде чем сотовые телефоны смогут «жить» месяцами, электромобили проезжать тысячи километров на одной подзарядке аккумуляторной батареи, а дома хранить достаточно энергии, получаемой от солнечных батарей или других альтернативных источников энергии для того, чтобы отказаться от традиционной электроэнергетики.