Аккумуляторная батарея представляет собой устройство, которое накапливает химическую энергию и преобразует её в электрическую, отдавая её во внешнюю цепь. По своей сути, это перезаряжаемый источник тока, основанный на обратимости электрохимических реакций.
История создания аккумуляторных батарей
Идеи о создании накопителей электрической энергии, или аккумуляторов, зародились в начале XIX века. Пионером в этой области в России стал В. В. Петров. Значительный вклад в понимание процессов внесли исследования X. Д. Гротгуса и Э. X. Ленца, которые изучили явление гальванической поляризации. Первый практический аккумулятор для использования поляризационных токов был создан англичанином Гровом в 1839 году. Важнейший шаг сделали в 1860 году француз У. Гастон Планте и русский физик В. С. Якоби, продемонстрировав аккумулятор на свинцовых пластинах с сернокислотным электролитом, хотя их конструкция была ещё несовершенной и недолговечной.
С появлением электрических генераторов для заряда аккумуляторов стало возможным использовать энергию топлива или воды, что открыло путь для их применения на небольших электростанциях и на транспорте. В 1881 году К. Фор предложил улучшенную конструкцию с нанесением активной массы на пластину, но её ёмкость оставалась низкой. Примерно в то же время Е. П. Тверетинов в Кронштадте разработал более совершенный свинцово-кислотный аккумулятор с решётчатой конструкцией электродов, который стал широко использоваться на флоте. В 1880-х годах Н. Н. Бенардос создал буферную батарею для своего сварочного аппарата. Серийное производство аккумуляторов в России началось на заводе фирмы «Тюдор» в Санкт-Петербурге. В 1900 году Т. А. Эдисон изобрёл щелочные аккумуляторные батареи. Советские конструкторы сосредоточились на разработке аккумуляторов для силовых установок, транспорта, связи и освещения. Стоит отметить, что термин «аккумуляторная батарея» иногда применяется и к другим системам накопления энергии, например, тепловым или гидравлическим.
Устройство и принцип действия
Любая аккумуляторная батарея состоит из трёх ключевых элементов: положительного электрода (анода), отрицательного электрода (катода) и электролита, в который они погружены. Электроды должны быть изготовлены из разных материалов, чтобы между ними возникала разность потенциалов, создающая электродвижущую силу.
Принцип работы основан на электрохимических реакциях. Ионы металла с электрода переходят в электролит, стремясь к энергетическому равновесию. Это приводит к накоплению свободных электронов на одном из электродов (он заряжается отрицательно), в то время как положительные ионы притягиваются к другому электроду. Процесс продолжается до установления электрохимического равновесия в системе. При подключении нагрузки (разряде) происходит обратная реакция, и накопленная химическая энергия преобразуется в электрический ток.
Технические характеристики
Основными параметрами, определяющими свойства аккумуляторной батареи, являются:
- Ёмкость — количество электроэнергии, которое батарея может отдать в цепь при разряде (измеряется в ампер-часах, А·ч).
- Среднее напряжение (измеряется в вольтах, В).
- Удельная энергия — энергия, снимаемая с единицы массы или объёма батареи (Вт·ч/кг или Вт·ч/дм³).
- Отдача по ёмкости и энергии — коэффициенты, показывающие эффективность цикла заряд-разряд.
Классификация и виды аккумуляторных батарей
Для получения источника тока с требуемым напряжением отдельные аккумуляторы соединяют последовательно в батарею. По типу использования батареи делятся на стационарные (например, для телефонных станций) и переносные. Переносные, в свою очередь, подразделяются на стартерные (для запуска двигателей), тяговые (для электромобилей, погрузчиков), фонарные и батареи для питания радиоаппаратуры.
По химическому составу электродов и электролита выделяют три основные системы:
- Свинцово-кислотные. Положительный электрод — диоксид свинца (PbO₂), отрицательный — губчатый свинец (Pb). Электролит — раствор серной кислоты (H₂SO₄). При разряде концентрация кислоты падает, образуется вода; при заряде — процесс идёт в обратную сторону. Среднее напряжение разряда около 1.98 В, заряда — 2.4 В. Электроды часто изготавливают методом намазки активной пасты в решётчатые пластины.
- Кадмиево-никелевые (щелочные). Положительный электрод — гидрат закиси никеля с графитом, отрицательный — губчатый кадмий с железом. Электролит — раствор едкого калия (KOH) или натра (NaOH) с добавками. Концентрация электролита в процессе работы не меняется. Среднее напряжение разряда — 1.23 В, заряда — 1.65 В.
- Железо-никелевые (щелочные). Положительный электрод аналогичен кадмиево-никелевому, отрицательный — порошковое железо. Главный недостаток — высокий саморазряд и чувствительность к температуре, что приводит к потере ёмкости при бездействии. Однако они отличаются низкой стоимостью и долгим сроком службы. Перспективы развития связаны с расширением рабочих температурных и нагрузочных диапазонов.