От вольтова столба до литий-ионных батарей: как развивались источники тока
За 200 лет человечеству удалось сделать огромный шаг вперед в создании новых источников тока. Вот самые главные этапы, которые позволили сделать это
18 февраля отмечается Всемирный день батарейки. Об этом изобретении мы обычно не думаем, но гальванические элементы — батарейки и аккумуляторы — окружают нас повсюду. Без них ваш iPhone работал бы от розетки, как и все остальные приборы, которые мы сегодня можем носить с собой. Но батарейке уже без малого 222 года — за эту долгую историю источники тока успели сильно измениться, однако их стремительный рост наблюдается только в последние несколько лет — он подгоняется растущим спросом на электромобили. Расскажем про основные этапы развития гальванических элементов.
Вольтов столб
Изобретению первого гальванического элемента Алессандро Вольта предшествовали опыты Луиджи Гальвани по препарированию закрепленных на медных крючках лапок лягушек при помощи стального скальпеля, в ходе которых мертвые мышцы сокращались.
Алессандро Вольта представил свой источник тока Лондонскому королевскому обществе в 1800 году, назвав его гальваническим элементом в честь Луиджи Гальвани. Демонстрация работы столба производила фурор и Вольта даже пригласил в Париж сам Наполеон Бонапарт. Спустя три года после изобретения российский физик Василий Петров собрал самый мощный вольтов столб из 4 200 медных и цинковых кругов. Он выдавал немыслимые по тем временам 1700 вольт.
Элемент Даниэля
В 1836 году Джон Фредерик Даниель развил идею Алессандро Вольта, представив собственный гальванический элемент, который позволил преодолеть поляризацию электродов. Как ни странно, он состоял из кусочка пищевода быка, в центре которого был расположен цинковый стержень, а сам пищевод был наполнен разбавленной серной кислотой. Его окружал медный сосуд с раствором сульфата меди, а все вместе это было запаковано для изоляции в глиняный сосуд.
Элемент Даниеля длительно давал стабильное напряжение 1,1 В. Это, конечно, меньше, чем его модификации, которые мы используем до сих пор.
Элемент Вестона
Несмотря на высокое напряжение, гальванические элементы прошлого не могли держать этот показатель на стабильном уровне — мешали несовершенства конструкции. Первому усовершенствовать конструкцию удалось Эдварду Вестону. Его элемент состоял из положительного ртутного электрода, контактирующего с сульфатом одновалентной ртути Hg2SO4 и гидратированным сульфатом кадмия 3CdSO4*8H2O. В качестве отрицательного электрода выступала амальгама кадмия, а электролитом был раствор сульфата кадмия.
Элемент отличался высокой стабильностью и воспроизводимостью результатов, поэтому на его основе затем были созданы множество элементов, применяемых сегодня.
Литиевый элемент
Современные литий-ионные аккумуляторы были изобретены в 1970 году, когда Майкл Стэнли Уиттингем показал способность дисульфида титана или дисульфида молибдена включать в себя ионы лития. Впоследствии гальванический элемент был усовершенствован и приобрел анод из графита и катод из кобальтита. Сегодня для увеличения емкости ученые стараются заменить литий в аккумуляторах на натрий, а графит на материалы на основе кремния и фосфора, однако пока баланса между емкостью и стабильностью добиться не удалось.
В любом случае, гальванические элементы как источники тока еще будут совершенствоваться — технология еще не достигла предела. Однако, возможно, в скором будущем ее заменит что-то другое.