Анатолий Томилин - Мир электричества
Примерно в 1859–1860 годах в лаборатории Александра Беккереля – второго представителя славной династии французских физиков – работал в качестве ассистента Гастон Планте. Молодой человек решил заняться совершенствованием вторичных элементов, чтобы сделать их надежными источниками тока для телеграфии.
Аккумуляторы XIX века
Сначала он заменил платиновые электроды «газового элемента» Грове свинцовыми. А после многочисленных опытов и поисков вообще перешел к двум тонким свинцовым пластинкам. Он их проложил суконкой и навил этот «сэндвич» на деревянную палочку, чтобы он влезал в круглую стеклянную банку с электролитом. Затем подключил обе пластины к батарее. Через некоторое время «вторичный элемент» зарядился и сам оказался способен давать достаточно ощутимый постоянной ток. При этом, если его сразу не разряжали, способность сохранять электродвижущую силу оставалась в нем на довольно длительное время. Это было настоящее рождение накопителя электрической энергии, или аккумулятора.
Слово «аккумулятор» происходит от латинского accumulator, что означает «собиратель». В технике так называют устройства, позволяющие накапливать энергию с целью ее дальнейшего использования. При этом аккумулятор может быть не только электрическим. Самым простым видом можно считать сжатую или растянутую пружину, в которой запасается механическая энергия, или тяжелый маховик, раскрученный до большого числа оборотов и запасающий таким образом кинетическую энергию. На гидроаккумулирующих станциях избыток электроэнергии используется для подъема воды из нижнего резервуара в верхний. Есть пневматические аккумуляторы, тепловые и, наконец, электрические.
Первые электрические аккумуляторы Гастона Планте имели очень незначительную емкость, то есть запасали совсем немного электричества. Но соединив несколько банок последовательно, напряжение батареи можно было увеличить, а при параллельном их включении увеличивалась емкость. При этом ток прибора оказывался тем сильнее, чем большая поверхность пластин соприкасалась с раствором электролита.
Свинцовые пластины аккумуляторов разных конструкций
Затем изобретатель заметил, что если заряженный первоначально прибор разрядить, затем пропустить через него ток в обратном направлении, да еще проделать эту операцию не один раз, то возрастает слой окисла на электродах и емкость вторичного элемента увеличится. Этот процесс получил название формовки пластин и занял у изобретателя Камилла Фора около трех месяцев…
Камилл Фор с юных лет увлекался техникой. Но он был беден и не получил образования. Вынужденный зарабатывать на жизнь, Камилл сменил множество специальностей. Был рабочим, чертежником, техником, химиком на английском пороховом заводе, работал и у Планте. Разносторонние практические знания сослужили самоучке добрую службу.
После Парижской выставки 1878 года Фору пришла идея нового способа формовки пластин. Он попробовал заранее покрывать их оксидом свинца, свинцовым суриком. При зарядке сурик на одной из пластин превращался в перекись, а на другой соответственно раскислялся. При этом слой окисла приобретал очень пористое строение, а значит, площадь его поверхности значительно увеличивалась. Процесс формовки протекал значительно быстрее. Аккумуляторы Фора при том же весе запасали значительно больше электрической энергии, чем аккумуляторы Планте. Другими словами, их энергоемкость была больше. Это обстоятельство особенно привлекало к ним симпатии электротехников. Но главная причина их возросшей популярности заключалась в другом.
В конце столетия во многих странах на улицах и в домах появилось электрическое освещение. Лампы накаливания питались энергией пока еще маломощных машин постоянного тока. Ранним утром и поздним вечером, когда энергии требовалось больше, на помощь машинам приходили аккумуляторы. Это было значительно дешевле, чем устанавливать дополнительные генераторы. Тем более что в спокойные дневные и ночные часы аккумуляторы могли заряжаться, поглощая излишки вырабатываемой машинами энергии.
Дальнейшее совершенствование свинцово-кислотных аккумуляторов шло по пути улучшения их конструкции и изменения технологии изготовления пластин.
Несмотря на широкое распространение, свинцовый аккумулятор – довольно капризное детище электротехники. Он требует очень чистого электролита. Аккуратные мотоциклисты и автолюбители это хорошо знают и доливают «банки» с электролитом только дистиллированной водой. Аккумулятор не терпит перегрузок. Если ток разряда чересчур сильный, пластины разрушаются. Не любит свинцовый аккумулятор перегрева, переохлаждения, глубокого разряда и частых перезарядов. Корпуса свинцово-кислотных аккумуляторов, изготовленные из стекла или пластмассы, хрупки. А кислотный электролит на зарядных станциях создает совершенно неприемлемую экологическую обстановку.
В 80-х годах XX столетия был предложен проект создания гигантского свинцово-кислотного аккумулятора весом более двух тысяч тонн. Предполагалось, что он займет площадь около пятой части гектара и будет предназначен для подключения к электросети в часы пиковой нагрузки. Проектная мощность – порядка сорока пяти мегаватт. Заряжать его можно в ночное время, когда потребление энергии падает.
Применение такого супераккумулятора позволило бы выровнять работу тепловых электростанций, особенно страдающих от неравномерности нагрузки, и дало экономию нефтяного топлива. Однако проект реализован не был.
Недостатки кислотных аккумуляторов еще на заре их развития заставляли изобретателей искать замену свинцу. Попыток было много. Большинство безуспешных. Удача выпала на долю Томаса Алвы Эдисона. После множества опытов американский изобретатель построил железо-никелевый щелочной аккумулятор, который широко используется в наши дни. В нем отрицательный электрод выполнен из пористого железа или кадмия с большой рабочей поверхностью. Положительный электрод – никелевый, окруженный окисью трехвалентного никеля. В качестве электролита используется 20 %-ный раствор едкого кали или едкого натра. Корпус чаще всего изготавливается из стали.
Томас Алва Эдисон (1847–1931)
Правда, электродвижущая сила щелочного аккумулятора немного ниже, чем у свинцового. Коэффициент полезного действия тоже меньше (примерно в два раза). Да и стоит щелочной аккумулятор дороже. Но… Он хорошо переносит перегрузки. Нечувствителен к избыточному заряду и сильному разряду, прочен, легко переносит перегрев и не нуждается в ремонте. А поскольку из щелочных аккумуляторов не выделяются газы, их можно делать герметично закрытыми. Согласитесь, что преимущества впечатляющие.
Но не менее впечатляющи и недостатки. И прежде всего недостаточная емкость. Вот почему во всех промышленно развитых странах внимание многих научно-исследовательских коллективов направлено на разработку новых типов аккумуляторов и супераккумуляторов. Главная задача – повысить энергоемкость: увеличить количество запасаемой энергии на единицу веса аккумулятора.
На пути к супераккумулятору
Проблема создания энергоемких аккумуляторов приобретает особое значение в связи с бурным развитием транспорта. Автомобили пожирают запасы дорогостоящего горючего и загрязняют атмосферу. В 1898 году француз Ж. Шасслу-Лоба достиг на электромобиле скорости 63 км/ч. А через год гонщик К. Иенатци установил мировой рекорд скорости на суше – почти 160 км/ч на машине, снабженной аккумуляторной батареей массой около 2 т.
Между тем в Чикаго в начале XX века количество электромобилей примерно вдвое превосходило количество машин с бензиновыми двигателями. В чем же дело? Почему до сих пор автомобилестроители не перешли на экологически безвредную электроэнергию? Увы, главная проблема как раз и заключается в аккумуляторах. Ведь современный свинцово-кислотный аккумулятор весом пять с половиной килограммов, который стоит на автомобиле, способен накопить и удержать в себе столько энергии, сколько ее заключено. в рюмке бензина! Сорок литров бензина – емкость бака обычной легковой машины – по заключенной в них энергии эквивалентны энергии аккумуляторных батарей весом четыре с половиной тонны. А время заряда-заправки? Сорок литров бензина вы зальете за пять, ну, за десять минут. Перезарядка же аккумуляторов длится часами.
Электромобили не вписываются и в общий темп существующего дорожного движения. Они медленно разгоняются и трудно берут подъемы. Их максимальная скорость и дальность пробега между перезарядками аккумулятора незначительны. Так что пока эта техника, на радость нефтегазовым «королям», не конкурентоспособна.
Существуют серно-натриевые и хлорно-литиевые аккумуляторы с удельной емкостью раз в десять, а то и в двенадцать большей, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов. Натрий – металл, обладающий высокими энергетическими свойствами. В рабочем состоянии и натрий и сера нуждаются в подогреве, чтобы перейти в расплавленное состояние. Их разделяет сосуд из пористой керамики, изготовленной на основе алюминия. Главное свойство сосуда – его способность пропускать только ионы натрия. Для ионов серы и для атомов обоих химических элементов керамическая мембрана – непреодолимый барьер. Таким образом, керамика играет роль как бы твердого электролита. Но хотя натрий и сера плавятся при температуре 97-119 °C, для успешного протекания электрохимической реакции их нужно нагреть до 300 °C, не меньше. Правда, серно-натриевый аккумулятор требует постороннего источника тепла только для начала работы. Потом необходимая температура поддерживается за счет тепла, выделяющегося в ходе химической реакции.
