От лягушачьих лапок до электромобилей: 200 лет эволюции батареек

В 1800 году Алессандро Вольта сделал из металлических дисков и смоченной ткани первый в мире химический источник тока. За двести лет ученые превратили это громоздкое сооружение в компактные батарейки для пульта от телевизора, фонарика и тысяч других устройств. Как это происходило — рассказываем и показываем в день рождения великого итальянца и его изобретения.

Лягушачьи лапки, ток и Франкенштейн

Одноразовая батарейка или многоразовый аккумулятор — это химические источники тока (ХИТ). В их основе один и тот же физический принцип: специально подобранные вещества вступают в химическую реакцию и производят электричество. Разница в том, что батарейка одноразовая, а аккумулятор можно заряжать и использовать повторно.

История химических источников тока начинается с… лягушачьих лапок. Точнее — с открытия гальванизма, а предпосылкой ему стал  суп (по одной из версий историков)! В 1780-х профессор Луиджи Гальвани в Болонье готовил бульон из лягушек для больной жены. Он повесил земноводных на медных крючках над железной решеткой балкона и заметил: стоит лягушачьим лапкам коснуться металла — они начинают дергаться, как от удара током. Гальвани решил, что в мышцах есть особое «животное электричество».

Считается, что именно опыты с «оживлением» мышц током вдохновили писательницу Мэри Шелли на роман о докторе Франкенштейне.  

Известный итальянский физик и анатом Алессандро Вольта вступил с Гальвани в полемику и вскоре доказал: ток зарождается не в лягушке, а от контакта разных металлов. Амфибия — всего лишь чувствительный «детектор», который свидетельствует о возникновении электричества.

Башня, которая удивила Наполеона

Чтобы доказать свою правоту, Алессандро Вольта в 1800 году сложил в стопку несколько пар дисков из двух разных металлов — цинка и меди, а между ними поместил ткань, смоченную соленой водой. Цинк в этой конструкции играл роль отрицательного электрода, медь — положительного, а соленая вода служила проводящей средой. При подключении к верхнему и нижнему дискам проводов по ним начинал течь постоянный ток. Устройство стало первым химическим источником постоянного тока и получило название вольтов столб.

В 1801 году Алессандро Вольта продемонстрировал свою батарею Наполеону. Первого консула Французской Республики так впечатлил «искусственный электрический орган», что тот сразу велел наградить изобретателя золотой медалью и провозгласил его графом. 

Вольта догадался, что комплекты металлических дисков с прослойкой из проводящей среды можно наращивать по высоте: больше дисков — выше напряжение. Это была первая рабочая схема получения электричества с помощью законов химии.

Взболтать, но не смешивать

У вольтова столба был существенный недостаток: при работе устройства на медном электроде выделялся водород — он образовывался из ионов водорода от смоченной ткани между металлическими дисками. Газовый слой мешал работе устройства, из-за чего напряжение быстро падало. 

В 1836 году английский изобретатель Джон Даниель предложил более стабильную схему. Он разделил электроды: цинк поместил в раствор сульфата цинка, а медь — в раствор медного купороса. Между ними установили пористую перегородку, которая не позволяла растворам быстро смешиваться и предотвращала саморазряд. Такая конструкция давала чуть меньше напряжения, чем сегодня обеспечивает обычная пальчиковая батарейка.

Тяжелое сердце автомобиля

В 1859 году французский физик Гастон Планте продолжил совершенствовать химические источники тока и показал, что эти устройства могут быть не только источником, но и накопителем электричества. Ученый создал первый в мире аккумулятор. Устройство состояло из двух свинцовых пластин, скрученных в спираль и помещенных в сосуд с раствором серной кислоты. Между ними был проложен разделитель: в ранних вариантах — толстая льняная ткань, позднее — резиновые полоски. Работу всего устройства обеспечивали обратимые электрохимические реакции свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.  

Сегодня свинцово-кислотные аккумуляторы выдерживают сотни циклов разряда/заряда и могут отдавать большое количество тока за короткое время, поэтому они до сих пор используются в автомобилях, чтобы можно было быстро запустить двигатель даже в сильные морозы.

Цинковая непроливайка

В химических источниках тока XIX века электролит был жидким, поэтому такие устройства нельзя было положить в карман или просто перевернуть. Французский инженер Жорж Лекланше в 1860е предложил конструкцию аккумулятора с цинковым корпусом, в центре которого он разместил угольный стержень, окруженный смесью диоксида марганца и угля, а проводящую среду загустил до консистенции пасты.

Так появилась классическая цинкуглеродная батарейка на 1,5 В — ее можно было вставить в фонарик или детскую игрушку без риска пролить кислоту. Именно от этих сухих элементов позже произошли знакомые нам цилиндрические батарейки АА и ААА.

Таблетки для часов

В середине XX века началось массовое производство мелкой электроники — калькуляторов, датчиков, наручных часов. Тогда промышленники поняли, что имеющиеся элементы питания слишком громоздкие для таких устройств и быстро теряют емкость, если уменьшать их размер.

Литий стал идеальным кандидатом для создания микробатареек: он очень легкий и обеспечивает более высокую удельную энергию и удельную мощность по сравнению с традиционными материалами. В таблетках и цилиндрах литий используется как анод, а в роли катода были оксиды или соли, например диоксид марганца.

Сэндвич на Нобелевскую премию

После успеха литиевых батареек ученые задумались, как сделать литиевую систему перезаряжаемой. В 1970–1980-х Стэнли Виттингхэм, Джон Гуденаф и Акира Ёсино предложили принцип, на котором работают современные литий-ионные аккумуляторы. Его суть в том, что литий не существует в них в виде чистого металла: его ионы могут встраиваться в материалы электродов и так же легко покидать их.

При разрядке ионы лития переходят с анода (обычно графитового) к катоду — соединению лития с металлами вроде кобальта, марганца или железа. При зарядке они возвращаются обратно. Такое обратимое движение и позволяет аккумулятору работать снова и снова. За эту разработку ученые получили Нобелевскую премию в 2019 году.

Алессандро Вольта впервые показал, что химическая реакция рождает устойчивый ток, за два века эта идея породила массу изобретений: от свинцовых аккумуляторов до литийионных батарей в смартфонах и электромобилях.