Первые батарейки в мире: от древнейших времен и разработок Алессандро Вольты к современным элементам питания

Вокруг человека масса предметов, о сути работы которых мало кто задумывается. А между тем телефоны, телевизионные пульты, карманные фонарики, часы и иные вещи работают за счет батареек. Именно этот маленький привычный элемент приводит их в действие. Но до того, как появились первые батарейки, длился многолетний период научных открытий и экспериментов, о котором и расскажет материал 24СМИ.

Первые батарейки в истории

В разных источниках говорится, что в 1936 либо 1938 году в Ираке нашли некий глиняный горшок. Археологам попался сосуд высотой 13 см, внутри которого размещался цилиндр из меди со стержнем из иного металла. Ученые предположили, что это был элемент питания, т. е. первые батарейки появились как минимум в 250 году до н. э.

Вероятно, внутрь этого гальванического элемента древние жители наливали щелочь либо кислоту. В результате горшок выдавал напряжение в 1 B. Получается, что парфянам была доступна технология создания примитивного аккумулятора.

Скептики из научных кругов обращают внимание на то, что сам факт возможности использования «багдадской батарейки» как источника электричества еще не подтверждает, что именно так он и применялся. Ведь поблизости так и не нашли ни одного элемента сопутствующего оборудования. Даже проводники обнаружены не были.

Эту вещь могли применять не в качестве источника энергии, а как инструмент для гальванизации металлических изделий. Впрочем, рядом находили медные предметы, покрытые слоем серебра. Но выяснено, что покрывали их путем амальгамирования. Так что и это предположение не доказано.

Наконец, в соседней с Багдадом Селевкии археологи нашли немало идентичных сосудов, но в этом случае их функция известна — внутри хранили свитки. Пока что неясно, как древние жители Ирака пользовались глиняным сосудом. Возможно, это так и останется невыясненным. Зато хорошо известно об ученом Луиджи Гальвани, с подачи которого и берет начало эпоха появления и развития батареек.

Однажды он обратил внимание на то, как дергалось тело лягушки, если оно касалось двух элементов из металла либо лежало под искрами, вылетающими из электрической машинки. Гальвани так и не смог обосновать наблюдаемый эффект, лишь предположил, что в самом теле живого существа присутствует электричество. Но его наработки потом пригодились другом итальянцу, физику Алессандро Вольте.

Алессандро Вольта и его изобретение

До конца XVIII века ни один ученый не занимался экспериментами по выработке, передаче и хранению электрической энергии. Пытались создать управляемый непрерывный ток, однако безуспешно. Но настал черед Алессандро Вольты.

После серии испытаний, навеянных опытом Гальвани, он пришел к выводу: лягушка либо любое другое животное не дергается, если соприкасается с предметами из одного металла. Но стоит взять разные металлические пластины — эффект налицо. Вольта сконструировал свою башню из пластин и доказал, что в тканях животного ток не появляется сам по себе. Он зарождается между металлами за счет химической реакции.

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первую батарейку. Точнее, это был первый аккумулятор, вошедший в историю как вольтов столб.

Конструкция представляла собой цилиндр, внутри которого размещались пластины из цинка и меди. Сосуд заполнялся электролитом — смесью рассола с уксусом. Металлы лежали поочередно, не касаясь один другого. Благодаря химической реакции начинало вырабатываться электричество. Достоинство изобретения итальянца заключалось в том, что в столбе получался малый ток, в отличие от прошлых экспериментов. Теперь силой тока удавалось управлять.

Вольта показал свое детище Наполеону Бонапарту, который настолько впечатлился увиденным, что даровал итальянцу графский титул. Кроме того, единицу электродвижущей силы назвали именем Алессандро. Конечно, его изобретение мало походило на современные батарейки. Но принцип действия элементов питания остается тем же самым.

Первые батарейки

После того как появились первые батарейки Вольты, началось постепенное развитие элементов. На первых порах ученые сталкивались с проблемой в виде коррозии столба Вольты. В 1836 году Джорджу Фредерику Даниэлю из Англии удалось решить эту проблему. Затем, в 1859 году, к исследованиям приступил ученый из Франции по имени Гастон Плантэ и пришел к результату.

Первая батарейка была устроена следующим образом: в качестве электродов Плантэ применил свинцовые пластины, а электролитом выступила разбавленная серная кислота. Когда элемент был подключен к источнику питания, он начинал заряжаться. Вслед за этим приспособление само уже вырабатывало электричество, отдавая всю затраченную на зарядку энергию. Самое важное, что это можно было проделывать много раз.

Так благодаря усилиям Плантэ появился первый свинцовый аккумулятор, который до сих пор хорошо известен любому автомобилисту и не только. Опыт привел к тому, что появились первые батарейки, заряжающиеся от постоянного тока и после этого сами отдающие энергию. Прибор уже заметно отличался от изобретения Алессандро Вольты, хотя принцип работы оставался прежним.

Следующим поворотным моментом в истории развития батареек стал 1866 год. Тогда французскому химику Жоржу Лекланше удалось создать химический источник питания, который признан прародителем сегодняшних «сухих» батареек.

Через 20 лет после этого появился и сам «сухой» элемент. Это заслуга немца по имени Карл Гасснер. Он запатентовал изобретение в 1886 году. Первые батарейки выглядели уже по-своему: внутри отсутствовал жидкий электролит, который мог бы вытечь. Практически всем эти элементы были похожи на современные. Немца поддержал его соотечественник Пауль Шмидт, который на основе детища Гасснера соорудил нечто вроде нынешнего карманного фонарика. Но окончательно такой предмет создали позже.

Первые фонарики на батарейках появились в 1899 году, став родоначальниками тех, что известны современному человеку. Постарался Давид Майселль из США. Первоначальные версии зажигались неудобно: надо было большим пальцем прижать закрепленное на корпусе кольцо из металла к металлическому обручу. Конструкция получилась далеко не самой эргономичной, поэтому просуществовала недолго. В 1902 году был придуман и запатентован более удобный вариант фонарика — его сделал Конрад Хьюберт, оснастив прибор выключателем.

Но первые батарейки в таких фонарях не отличались большим ресурсом. Их невозможно было применять в качестве постоянного источника яркого света. Первые фонарики на батарейках использовали для кратковременной подсветки, по сути — вспышки. Хватало, чтобы на мгновение осветить, например, темное помещение.

Появление современных элементов питания

В 1896 году американская компания под названием Columbia выпустила первые серийные батарейки сухого типа с элементом из углерода. Для того времени такой продукт оказался уникальным. Позже предприятие поменяло название и продолжает действовать сегодня, но уже под именем Energizer.

В начале XX века на американский рынок вышла другая известная компания — Duracell. Она наладила производство батареек крупными сериями. К 1920-м годам потребность в батарейках стала возрастать, потому что появлялось все больше тех или иных портативных устройств с автономным питанием.

Батарейки Duracell тогда представляли собой стаканчики из цинка. Они оборачивались бумагой, на которой была написана информация о технических характеристиках элемента. Внутри устанавливался электрод из графита с колпачком из латуни. Вокруг графитового стержня помещалась окись марганца. А в пространстве между внутренней поверхностью цинкового стаканчика и оксидом марганца размещался электролит.

Донышко стаканчика было отрицательным полюсом, а латунный колпачок — положительным. Конструкция десятилетиями выпускалась массово в мире, в том числе была распространена и в России. Батарейки стоили недорого, за счет чего и получили популярность. Но хватало и недостатков. У них была малая емкость, а конструкция оставалась ненадежной: стакан из цинка по мере использования разрушался, электролит протекал наружу. Элементы хранились и служили не больше 1 года.

До 1940 года такие изделия оставались практически единственными химическими источниками электрического тока. Сегодня батарейки на основе марганца и цинка почти не встречаются. Их заменили куда более совершенные устройства с повышенной надежностью и емкостью.

В 1940-е годы Сэмюэль Рубен изобрел первые батарейки-таблетки. Сначала они предназначались для военных США. В основе изделий лежал сплав цинка и ртути. Элемент в крепком металлическом корпусе не портился от мороза и продолжал работать бесперебойно, выдавая напряжение 1,3–3,5 B.

Солевые батарейки появились во 2-й половине XX столетия. Они стали следующим этапом развития портативных источников питания после описанных выше марганцево-цинковых элементов. Солевые батарейки отличала малая стоимость при увеличенной емкости. Но они работали до года и хранились до полутора лет.

Затем пришел черед щелочных батареек. Они появились в 1964 году и оказались еще лучше солевых. Достоинство в том, что хранятся до 5 лет, также дольше служат и пригодны для использования в приборах повышенной мощности.

Современные элементы питания

Сегодняшние батарейки классифицируют по типоразмеру, электролиту, типу химической реакции. Чаще люди пользуются в бытовых целях пальчиковыми либо мизинчиковыми элементами. Также часто встречаются таблетки. Но помимо этого, попадаются большие и средние батарейки в форме цилиндра, а также в прямоугольном исполнении, например, «кроны».

Если рассматривать тип применяемого электролита, дешевле остальных на сегодня солевые батарейки. Они ненамного ушли вперед в развитии по сравнению с предшественниками из XX века. Электролитом выступает раствор хлорида аммония. У нынешних изделий возрос срок хранения до 2 лет, а также увеличилась емкость. Также распространены дешевые варианты на основе хлорида цинка как сухого электролита.

Щелочной электролит легко определить, обнаружив надпись на батарейке: Alkaline. Элементы содержат марганцево-цинковый, щелочно-марганцевый электролит. Работают дольше солевых, но им присущ недостаток — повышенное содержание вредной ртути.

Тем не менее щелочные батарейки популярны, часто используются в портативной электронике. Стоят дороже солевых, но занимают первое место по распространенности. У них повышенная емкость, срок хранения и службы увеличен до 5 лет. Приспособления лучше работают при отрицательной температуре.

Элементы с электролитом из ртути сегодня практически вышли из обращения. А варианты с электролитом из серебра хоть и безопасны, но чересчур дороги в изготовлении, поэтому также редко встречаются.

Безопаснее остальных для человека признан воздушно-цинковый электролит. Изделия на его основе продаются по приемлемым ценам и долго хранятся. Правда, их толщина в 1,5 раза превосходит размеры привычных щелочных элементов. Кроме этого, чтобы батарейка не саморазрядилась при хранении, ее приходится заклеивать.

Литиевые элементы обходят остальные батарейки по эксплуатационным характеристикам. Но стоят дорого.

Наконец, батарейки различают по типу химической реакции внутри. В самых обыкновенных гальванических элементах, какими были и первые батарейки, происходит первичная реакция. Они не поддаются вторичной зарядке, как аккумуляторные батареи, в которых протекает вторичная реакция.

Современные батареи выпускаются в разных размерах. Как величиной с таблетку, так и занимающие площадь в сотни квадратных метров. В энергосистемах применяют аккумуляторные батареи на основе свинца и никель-кадмиевого соединения. Они выступают источниками резервного питания или выравнивают электронагрузку.

Когда была создана литий-ионная технология, расширились возможности применения портативной техники. Теперь подобные накопители стоят во всех телефонах, планшетах и ноутбуках. Но требования к батареям непрерывно растут, заставляя инженеров придумывать новые решения.

Главная задача ученых заключается в поиске баланса между размерами, ценой и энергоемкостью элементов. И если габариты с емкостью удается менять без ограничений, то со стоимостью возникают сложности.

Прогнозируют, что на рынок новые разработки, над которыми сегодня бьются ученые, попадут не раньше 2025 года. Прежде всего инженеры нацелены на повышение срока службы аккумуляторов и усовершенствование технологий беспроводной зарядки.

С тех пор как в обиход вошли первые батарейки, жизнь человека навсегда изменилась. Стало возможным то, что раньше даже трудно было представить. А теперь человек не задумывается над тем, как работают привычные повседневные устройства. И все благодаря тому, что в них вставлены батарейки.