Этапы истории развития аккумуляторных батарей

Наша жизнь могла быть устроена совсем иначе, если бы Фалес – философ из Древней Греции, почти 3 века назад не заметил, что шерсть прекрасно взаимодействует с янтарем, а также, если бы в 1600 году не ввели термин «электричество», и, в 1800 году Аллександро Вольта не начал изучать медные и цинковые пластины.

С чего начинались эксперименты?

Опыты, которые доказали, что можно накоплять электроэнергию, начали проводиться после открытия такого явления, как гальваническое электричество, итальянцем Аллександро Вольта. Его эксперимент заключался в следующем: взяв 2 монеты из металлов разного состава и поместив одну на язык, а вторую под, он связал их между собой проволокой. Был замечен кисловатый вкус, характерный для электричества.

Физик из Франции в 1801 году пускал ток, используя воду, при помощи платиновых электродов. Готеро обратил внимание на то, что после прерывания тока через воду и соединения электродов, остается кратковременный ток.

Позже такой же эксперимент проводил ученый Риттер. Электроды из платины он заменил на те, что выполнены с использованием золота, серебра и меди. Их ученый разделял друг от друга кусочками сукна, которые были в растворе солей. Так ученый получил первый элемент, способный запасать и отдавать энергию.

Огромный вклад внес Гастон Планте в 1859 году. Тогда ученый долго проводил опыты и открыл тип АКБ, который состоит из свинцовых пластин. При заряжении они обрастали окисью свинца, а, при выделении кислорода, отдавали энергию. Устройство было следующее: между двумя полосами из листового свинца были проложены полосы сукна, а затем свернуты вокруг палки округлой формы. Конструкция стягивалась кольцами из резины и размещалась в подкисленную воду. При неоднократном заряжении и разряжении этого АКБ появлялся активный действующий слой. За счет него емкость становилась больше.

Свинцово-кислотные аккумуляторы в наши дни

Принцип действия и общее устройство свинцово-кислотных АКБ, которые используются в наши дни, не отличается от тех, что были много лет назад. Также внутрь помещают разнополярные электроды, разделяемые сепаратором, куда заливается жидкость (электролит). Однополярные электроды взаимодействуют между собой с выводными борнами, чтобы подключать к дальнейшему источнику.

Однако технологии производства аккумуляторных батарей для ИБП развиваются. По этой причине усовершенствовались некоторые конструктивные элементы, основные из которых – состав и конструкция электродов. Сам по себе свинец довольно мягкий, ему нужно придать прочность. Для этого в сплав добавляют сурьму. Чтобы сократить выделение газов в герметизированных АКБ, добавляют кальций.

По составу электроды бывают разные. В них могут быть такие элементы, как олово, селен, а в некоторых и вовсе, серебро. Сейчас производят такие типы электродов:

• большой поверхности;
• трубчатый;
• стержневой;
• намазной.

Производитель выбирает, какой электрод установить в определенный аккумулятор исходя из актуальных условий эксплуатации. К примеру, для использования в условиях коротких разрядов увеличенными токами или наоборот.

Со временем менялся и материал корпусов АКБ. Изначально использовалось дерево, причем довольно долго. Однако такой материал быстро разрушался под воздействием электродов в момент окисления, а также кислотная среда. После стали использовать эбонит. Материал представляет собой каучук с разными элементами, где преобладает сера. Эбонит обладает отличными электроизоляционными свойствами. В настоящее время для производства корпусов используется полипропилен (PP), акрило-бутадиенстирол (ABS) и стирол-акрил-нитрил (SAN). Материалы между собой различаются, но у них есть одинаковое свойство – ударопрочность. Различаются они по огнестойкости, прозрачности и составу, так как он меняется в зависимости от условий эксплуатации.

Прогресс не обошел стороной и полюсные выводы. Сейчас они производятся и устанавливаются в виде клемм, в виде конусов. Изготавливаются выводы под болты разных диаметров, а также под болты с гайкой и даже сварного типа. Полюсные выводы располагаются на корпусе, исходя из места установки АКБ: сверху, с торца, сбоку.

Электролит бывает разным. Исходя из назначения АКБ, выбирается разная плотность. 1,24 кг/л выбирается для буферного режима, 1,28 кг/л выбирается для циклического или стартерного режима, так как в таком случается нагрузка увеличенная.

В процессе развития технологий появилось множество разных типов АКБ по типам герметизации. Довольно редким явлением стали аккумуляторы обслуживаемого типа, но все еще встречаются. Чаще всего используются малообслуживаемые (заливные) батареи и герметизированные. Последний тип разделяется на AGM, где стекловолокнистый сепаратор и GEL, где электролит в загущенном состоянии.

Развитие технологий в наши дни

Технологии производства АКБ развиваются и в настоящее время. К примеру, в аккумуляторы типа AGM помещают электроды, в сплав которых добавляют карбон. Благодаря такому новшеству снижается процесс сульфатации при неполной разрядке, улучшаются разрядные параметры, увеличивается цикличность применения, а также срок хранения без подзарядки, сокращаются сроки ускоренной зарядки, при этом уменьшается тепловыделение.

Несмотря на такие различия в конструкции, принцип работы, а вместе с ним и электрохимические процессы не изменились.

Технологии, связанные с аккумуляторами, развиваются очень быстро. Поэтому практически невозможно проследить, в какой последовательности, и, вовсе, какие открытия были произведены за последние 50 лет. На данный момент имеется более 30 типов АКБ, при производстве которых применяется два разных электрода. В мире уже показаны такие типы, как никель-кадмиевые, никель-металл-гидридные, литий-ионные, а также другие. Разработки не останавливаются. Некоторые компании занимаются разработкой литий-воздушных АКБ, где применяется кислород как окислитель, магниевых батарей, натрий-ионных АКБ, где применяется простая соль, графеновых аккумуляторов, способных заряжаться за несколько минут и многие другие.

Однако есть существенный недостаток – такие типы АКБ все еще находятся на стадии разработки и еще не дотягивают до коммерческого уровня. Это можно объяснить двумя причинами: не налажено полноценное производство, нет доказательств точных преимуществ на практике. К тому же, АКБ из пробных партий стоят крайне дорого, значительно дороже привычных всем АКБ, которые уже доказали свою практичность на практике.

Какое будущее аккумуляторов?

Рассуждая о будущем автономного энергопитания, стоит отметить, что оно во многом зависит от развития технологий и применения их на практике. Нужно, чтобы АКБ меньше весили, зарядка происходила быстрее, а также они имели больше энергии.

Скорее всего, придется еще долго ждать, прежде чем смартфоны смогут работать без подзарядки долгое время, а электрокары будут способны проезжать по тысяче км без подзарядки и уже тем более, пройдет много времени до того момента, когда появятся источники энергии, способные заменить электроэнергетику.