История развития аккумуляторов и батарей

Алессандро Вольта, изобретатель электрической батареи.
Открытие Вольтой разложения воды электрическим током привело к появлению электрохимии.

Одним из наиболее замечательных и оригинальных открытий за последние 400 лет было открытие электричества. Вы спросите, было ли электричество вокруг до этого? Ответ возможно намного более длинный, чем просто "да". Для практического использования, электричество появилось в нашем распоряжении, начиная с середины XIX века, и первоначально в очень ограниченном виде. На мировой выставке в Париже в 1900, например, одной из главных достопримечательностей был освещенный с помощью электричества мост через реку Сена.

Самый первый метод производства электричества заключался в создании статического заряда. В 1660, Отто фон Гуерик (Otto von Guericke) построил первую электрическую машину, которая состояла из большого серного шара который, будучи натёртым, притягивал перья и маленькие кусочки бумаги. Гуерик доказал, что произведенные искры были электрического происхождения.

Впервые, статическое электричество было предложено использовать в так называемом "электрическом пистолете", изобретенным Алессандро Вольтой (Alessandro Volta) (1745-1827). Электрический провод помещался во флягу, заполненную метаном. При проскакивании электрической искры через провод, фляга взрывалась.

Затем Вольта задумался об использовании этого изобретения для связи на большом расстоянии, хотя передавать можно было только один бит информации. Железный провод, поддерживаемый деревянными столбами должен был быть натянут от Комо до Mилана в Италии. В точке назначения, провод заканчивался во фляге, заполненной газом метана. По команде, электрическая искра посылалась бы проводом, который взорвал бы электрический пистолет, чтобы сигнализировать о закодированном событии. Но эта линия связи так никогда и не была построена.

В 1791, во время работы в Болонском Университете, Луиджи Галвани (Luigi Galvani) обнаружил, что мускул лягушки сокращается, если до него дотронуться металлическим объектом. Это явление получило название "животного электричества". Впоследствии теория животного электричества была опровергнута. Воодушевлённый этими экспериментами, Вольта начал ряд исследований, используя цинк, свинец, олово или железо в качестве положительных пластины, и медь, серебро, золото или графит в качестве отрицательных пластин.

Четыре разновидности электрической батареи Вольта.
Серебряные и цинковые диски разделены сырой бумагой.

В 1800 году, Вольта обнаружил, что при использовании некоторых жидкостей в качестве проводника, чтобы обеспечить химическую реакцию между металлами или электродами, создаётся непрерывный поток электрической силы. Это привело к изобретению первой ячейки Вольта. Далее, Вольта обнаружил, что напряжение увеличивается, если ячейки Вольта сложить друг с другом.

В том же самом году, Вольта доложил о своём открытии непрерывного источника электричества перед Королевским Обществом Лондона. Эксперименты больше не были ограничены кратким показом искр, которые продолжались доли секунды. Теперь стал доступен бесконечный поток электрического тока.

Франция была одна из первых наций, которые официально признали открытия Вольты. В то время, Франция стремилась к новым научным достижениям, и новые идеи принимались с распростёртыми объятиями, как того требовала политическая конъюнктура. Вольта был приглашён Национальным Институтом Франции, прочитать серию лекций, на которых, как действительный член Института, присутствовал Наполеон Бонапарт.

Когда сэр Хэмфри Дэйви (Humphry Davy), изобретатель безопасной лампы шахтера, установил самую большую и наиболее мощную электрическую батарею в хранилищах Королевского Институте Лондона, было сделано новое открытие. Он соединил батарею с электродами из древесного угля и произвел первый электрический свет. Как сообщали свидетели, его вольтова дуга производит "наиболее яркую дугу света, из когда-либо виденного".

Наиболее важные исследования Дэйви были посвящены электрохимии. После экспериментов Гальвани и открытия ячейки Вольта, интерес к гальваническому электричеству стал повсеместным. Дэйви начал проверять химические эффекты электричества в 1800 году. Вскоре он обнаружил, что при прохождении электрического тока через некоторые вещества, эти вещества разлагаются. Этот процесс позже был назван электролизом. Генерируемое напряжение было прямо пропорционально химической активности электролита с металлом. Со всей очевидностью, Дейви понял, что химическое воздействие электролиза и ячейки Вольта одинаково.

В 1802 году, доктор Уильям Круикшанк (Dr. William Cruickshank) разработал первую электрическую батарею, пригодную для массового производства. Круикшанк изготовил квадратные листы меди, которые он спаял на концах, вместе с листами цинка равного размера. Эти листы были помещены в длинную прямоугольную деревянную коробку, которая была запечатана цементом. Расположение пластин поддерживалось углублениями в коробке. Затем, коробка заполнялась электролитом (морской водой), или кислотой.

Эксперименты Вольты в Национальном Институте Франции.
Открытия Вольты так впечатлили мир, что в ноябре 1800, он был приглашен Национальным Институтом Франции, прочесть курс лекций, на которых присутствовал Наполеон Бонапарт. Позже, сам Наполеон помог с экспериментами, протягивая искры от батареи, плавящие стальной провод, разряжая электрический пистолет и разлагая воду на элементы.

Третий метод производства электричества был обнаружен относительно поздно - электричество с помощью магнетизма. В 1820, Андре-Мари Ампер (Andre-Marie Ampere) (1775-1836) заметил, что провода, через которые течёт электрический ток, либо притягивались друг другу, либо отталкивались.

В 1831, Майкл Фарадей (Michael Faraday) (1791-1867) продемонстрировал, что катушка из медной проволоки создаёт постоянный электрический ток в меняющемся сильном магнитном поле. Фарадей, помогая Дэйви и его команде в исследованиях, смог создать непрерывный электрический ток, при движении катушки относительно магнита. Так был изобретён электрический генератор. Затем, этот процесс был запущен обратно, и получился электрический двигатель. Вскоре после этого были изобретены трансформаторы, что позволило изменять напряжение до желаемой величины. В 1833, Фарадей вывел основу электролиза, закон Фарадея, согласно которому масса превращённого вещества пропорциональна прошедшему через электролит количеству электричества.

В 1836 году, Джон Ф. Даниелл (John F. Daniell), английский химик, изобрёл улучшенную батарею, которая производила более стабильный ток, чем устройство Вольты. До сих пор, все батареи были составлены из первичных ячеек. Это означало, что они не могли перезаряжаться. В 1859, французский физик Гастон Планте (Gaston Plante) изобрел первую перезаряжающуюся батарею - аккумулятор. Этот аккумулятор был на свинцово кислотной основе, которая все еще используется и сегодня.

Ближе к концу XIX века, были построены гигантские генераторы и трансформаторы. Были установлены линии передачи, и человечеству стало доступным электричество, для освещения, обогрева и передвижения. В начале двадцатого столетия, электрические технологии были усовершенствованы. Изобретение вакуумной лампы привело к производству генераторов и усилителей. Вскоре после этого было изобретено радио, которое сделало возможным беспроводную связь.

В 1899, Вальдмар Юнгнер (Waldmar Jungner) из Швеции изобрел никель-кадмиевый аккумулятор, который использовал никель в качестве положительного электрода и кадмий в качестве отрицательного. Двумя годами позже, Эдисон (Edison) изобрёл альтернативную конструкцию, заменив кадмий железом. Из-за высокой, по сравнению с сухими, или свинцово-кислотными аккумуляторами стоимости, практическое применение никель-кадмиевых, и никель-железных аккумуляторов было ограниченным.

После изобретения в 1932-м году Шлехтом (Shlecht) и Акерманом (Ackermann) спрессованного анода, было внедрено много усовершенствований, что привело к более высокому току нагрузки и повышенной долговечности. Герметичный никель-кадмиевый аккумулятор, хорошо нам всем известный сегодня, стал доступен только после изобретения Ньюманом (Neumann) полностью герметичного элемента в 1947 году.

С первых же дней после открытия электричества, человечество стало зависимым от изобретения, без которого не может быть наших технологических достижений. С увеличением потребности в передвижении, люди стремились к компактному источнику энергии - сначала для промышленного применения, затем для домашнего, и наконец для портативного использования. Возможно, наши потомки будут смотреть на сегодняшние технологии как на что-то неуклюжее и ненадёжное, как мы смотрим на неуклюжие 100-летней давности эксперименты наших предшественников.

Круикшанк и первая закрытая батарея.
Уильям Круикшанк, английский химик, построил батарею из электрических ячеек, соединяя цинковые и медные пластины в деревянной коробке, заполненной электролитом. Эта закрытая конструкция имела то преимущество, что она не высыхала со временем, и обеспечивала большее количество энергии, чем дисковая конструкция Вольта.

История развития аккумуляторов и батарей
1600 г. Гилберт (Gilbert) - Англия Положил начало электрохимии
1791 г. Гальвани (Galvani) - Италия Открытие "животного электричества"
1800 г. Вольта (Volta) - Италия Открытие батареи Вольта
1802 г. Круикшанк (Cruickshank) - Англия Первая электрическая батарея, пригодная для промышленного производства
1820 г. Ампер (Ampere) - Франция Электричество через магнетизм
1833 г. Фарадей (Faraday) - Англия Публикация закона Фарадея
1836 г. Дениел (Daniell) - Англия Изобретение батареи Дениела
1859 г. Планте (Plante) - Франция Изобретение свинцово-кислотного аккумулятора
1868 г. (Leclanche) - Франция Изобретение батареи Leclanche
1888 г. Гасснер (Gassner) - США Внедрение сухой батареи
1899 г. Юнгнер (Jungner) - Швеция Изобретение никель-кадмиевого аккумулятора
1901 г. Эдисон (Edison) - США Изобретение никель-железного аккумулятора
1932 г. Шлехт (Shlecht), Акерман (Ackermann) - Германия Изобретение спрессованного анода
1947 г. Ньюман (Neumann) - Франция Первый герметичный никель-кадмиевый аккумулятор
середина 1960 г. Union Carbide - США Изобретение щелочной батареи
середина 1970 г.
  •  
Разработка свинцово-кислотных аккумуляторов с клапанной регулировкой.
1990 г.
  •  
Начало производства никель-металгидридных аккумуляторов
1992 г. Кордеш (Kordesch) - Канада Начало производства перезаряжаемых щелочных батарей
1999 г.
  •  
Начало производства литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов
200х г.
  •  
Ожидаемое массовое производство топливных элементов на протонной мембране, или PEMFC (Proton Excange Membrane Fuel Cell)


Isidor Buchmann (Cadex Electronics Inc.).
Перевод: Дмитрий Рябчиков.
batteryteam.ru