Как появились батарейки

Почти у любого современного гаджета имеется автономный источник питания. В зависимости от конструкции это могут быть многоразовые или одноразовые элементы. Как они появились?

Лишь у любви у нашей села батарейка…» – когда-то протяжно пела в подзабытом хите группа «Жуки». Конечно, музыканты имели в виду переносное значение этого термина, но и для любви тоже нужна энергия. Именно ее, но только в вольтах и амперах дает элемент электрического питания под народным названием «батарейка».

Гальванический элемент

История электрической батареи начинается с момента, когда ученые озаботились тем, как сохранить энергию, получаемую в результате упорядоченного движения электронов. В 1791 году итальянец Луиджи Гальвани, экспериментируя с мышцами лягушки, заметил, что мускул ее лапки сокращается, если его коснуться металлической палочкой. Физик предположил, что мускул генерирует электричество, и дал ему название «животное электричество».

В дальнейшем ученые опровергли эту гипотезу, но перед этим, в 1800 году, Алессандро Вольта решил вместо мышечного волокна использовать раствор различных жидкостей, а вместо одной палочки использовал две. Так, 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. Впрочем, такая картина наблюдалась именно при совмещении пластин из разных групп. Когда же пластины, пусть и разных металлов, относились к одной группе – никакого напряжения на концах банки не было.

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 еще один принцип: несколько банок с раствором, объединенных в одну электрическую цепь, составляют аккумуляторную батарею. Впрочем, демонстрация открытия перед Королевским обществом Лондона фурора не вызвала, ибо слушатели увидели лишь небольшое искрение в течение секунды. Куда внимательнее к открытию Вольты отнеслись во Франции. Его лекции в Национальном Институте Франции в 1802 году пришел послушать сам 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 продолговатой 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 протекании через него тока в дальнейшем сам испускал электричество. А в 1836 году британский химик Джон Ф. Даниель изобрел батарею, дававший более стабильное напряжение чем все предыдущие разработки.

Пластины и решетки

Несмотря на пробелы, научное общество уже тогда понимало принцип действия батарей, заключавшийся в химической реакции при протекании тока и ее обратимости при отсутствии тока.

Джон Даниель придумал конструкцию из медного горшка, наполненного раствором медного купороса, в который погружался глиняный цилиндр, наполненный серной кислотой с наличием цинкового электрода. Пористые глиняные стенки давали возможность проходить сквозь них ионам, но не давали возможности смешиваться растворам. Батарея Даниеля стала первым практическим источником электроэнергии. Она обеспечивала более длительный и надежный ток, чем элемент Вольты, а также была безопаснее и менее агрессивной. Рабочее напряжение батареи составляло примерно 1,1 вольта и в дальнейшем стало отраслевым стандартом для использования в телеграфной сети.

Прорыв совершил французский физик Гастон Планте. В 1859 году он придумал батарею, из двух одинаковых пластин из свинца, навитых на деревянный цилиндр и отделенных тканевой прокладкой. Конструкцию помещали в раствор кислой 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.

Но у устройства Планте был существенный недостаток – невысокая емкость. Для того, чтобы ее повысить, производили многократное количество циклов заряда-разряда, но более-менее внятная емкость наступала только после двух лет таких перезарядок. Причиной такого дефекта была конструкция пластин, которую стали улучшать последователи Планте. В 1880 году Камилл Фор придумал применять в аккумуляторах намазные электроды. Их изготавливали путем нанесения на пластины окислов свинца. Эта конструкция серьезно увеличила емкость батарей. Спустя год Эрнест Фолькмар сменил электроды на намазную решетку, а физик Джон Селлон в том же году получил патент на технологию производства решеток из сплава свинца и сурьмы.

В 1868 году для опытов в качестве электролита француз Жорж Лекланше использовал соляной раствор, а цинк с марганцем выступали электродами. Химик сымитировал процесс, позволивший в дальнейшем создать «сухой» источник питания. Спустя 20 лет немец Карл Гасснер повторил опыты Лекланше, но вместо марганцевого использовал углеродный стержень. Похожая конструкция в дальнейшем использовалась очень широко. Исследования продолжил другой немец, Пауль Шмидт, которого и считают отцом портативных сухих батареек.

Солевые, щелочные, литиевые

В 1896 году «Национальная углеродная компания» выпустила на рынок сухой элемент питания Columbia, который использовался в домашних телефонных аппаратах. А спустя два года эта же американская компания, но уже под названием Eveready Battery Company, выпустила гальванический элемент типоразмера D для первого ручного электрического фонарика. В 1950-е годы XX века эта компания выпустила миниатюрные элементы питания для слуховых аппаратов, для наручных часов и многоразовый никель-кадмиевый аккумулятор Eveready. В 1980 году компания была переименована в Energizer Holding.

Эта же фирма в 1959 году выпустила первую в мире щелочную батарейку. Принцип ее работы схож с функционалом солевой батареи: анод из цинка, катод из диоксида марганца. А вот раствор электролита не из соли аммония, а из раствора щелочи, обычно гидроксида калия. Также у щелочной батарейки конструкция будто вывернута наизнанку по сравнению с конструкцией солевой. Если у солевой батарейки корпус (-), а центральный токоотвод (+), то у щелочной наоборот, корпус (+), а центральный токоотвод (-).

По сравнению с щелочными у солевых батарей лишь одно преимущество – цена. Ибо технология их производства проста, а стоимость реагентов низкая. Зато солевые обладают куда меньшей емкостью и как следствие в 3-5 раз работают меньше щелочных. К другим недостаткам относится небольшой срок хранения и узкий температурный диапазон.

Другой известный «батарейный» бренд Duracell начался с изобретения в 40-е годы XX века физиком Самюэлем Рубеном батареек-таблеток для американских военных. Ртутно-цинковый состав и крепкий металлический корпус не боялись мороза и обеспечивали бесперебойное функционирование. Напряжение в компактной батарее составляло от 1,3 до 3,5 вольта. Впоследствии Рубен привлек инвесторов и основал завод батареек под маркой Duracell.

В 1992 году компания Energizer представила самые прогрессивные – литиевые батарейки. По долговечности они не имели равных и были предназначены для высокотехнологичного оборудования. Принцип их работы схож с принципами солевого и щелочного элемента, но анод изготовлен из лития или его соединения. Из химии известно, что литий имеет наивысший отрицательный потенциал по отношению к остальным металлам, – соответственно, он имеет наибольшее номинальное напряжение при минимальных размерах. Другие параметры литиевых батареек тоже впечатляют: большое время хранения (до 15 лет), исключительно малые токи саморазряда, высокая степень герметичности, работа в широком диапазоне отрицательных и положительных температур. Однако у этих батареек есть существенный недостаток – высокая цена. Впрочем, технологии не стоят на месте, и все недоступное когда-нибудь становится обыденным.