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.
Серно-натриевый элемент дешев. Применяемые в нем материалы не дефицитны. Во время работы из него не выделяются газы, значит, его можно герметизировать. А если добавить к этому еще и простоту заряда, то может показаться, что решение проблемы у нас в кармане. Но попробуем перечислить и недостатки. Сера и натрий – огнеопасны. А перед работой аккумулятор необходимо подогревать. Едкие вещества легко разъедают герметическую оболочку. И натрий так активно соединяется с водой, что эта реакция подобна взрыву. Да и расплавленная сера при контакте с воздухом образует ядовитый сернистый газ. Так что, несмотря на герметичность, такой аккумулятор требует большой осторожности при эксплуатации.
Похож и хлорно-литиевый аккумулятор, удельная энергоемкость которого еще выше. Но у него серьезным недостатком является ядовитость хлора. А ну как прорвется он где-нибудь!.. Конечно, бензин тоже не такое уж безобидное вещество, особенно если поблизости есть открытый огонь. Но к свойствам бензина все привыкли. А вот к характеру натрия и лития, хлора и серы мы относимся пока настороженно.
Тем не менее созданы очень любопытные «электрические консервы». Вот, например, литиево-никельгалоидный аккумулятор. В нем работает уже знакомый нам металл литий и неядовитое неорганическое фтористое соединение никеля. Этот аккумулятор не требует подогрева, не выделяет газ, что позволяет сделать его полностью герметичным. Энергоемкость его – на уровне супераккумуляторов, описанных выше, а процесс зарядки длится всего несколько минут. Прекрасно, не правда ли? Вот мощность его невелика. Но не будем забывать, что и современная техника сильно миниатюризировалась.
Существуют воздушно-цинковые аккумуляторы, в которых кислород атмосферы окисляет цинковый анод. В них запас энергии определяется количеством цинка, способного вступить в реакцию. Но у них пока мал срок службы. Идея использовать воздух в качестве одной из составляющих системы накопителя энергии очень заманчива, хотя реализовать ее нелегко.
Интересное и перспективное направление – разработка топливных элементов. Правда, некоторые исследователи считают, что эти системы, занимающие промежуточное положение между гальваническими элементами и аккумуляторами, относятся скорее к электрическим машинам. Они их так и называют: электрохимические генераторы (ЭХГ). В топливных элементах свободная энергия электрохимической реакции переходит непосредственно в электрическую энергию. Вот, например, как работает водородно-кислородный топливный элемент: газ водород поступает из баллона-термоса, где хранится в сжиженном состоянии, к отрицательному электроду-катализатору. Здесь он ионизуется. Точно так же к положительному электроду поступает кислород. Ионы водорода проходят через ионообменную мембрану, соединяются с ионами кислорода. Образовавшаяся в результате реакции вода – единственный «выхлоп» такого элемента-генератора. Заманчивая перспектива, не так ли? Тем более что в качестве топлива может применяться не только сжиженный водород, но и другие вещества.
Потребность в разработке новых аккумуляторов особенно остро проявилась в 70-е годы XX века в связи с внедрением в космической технике солнечных батарей. Для налаживания выпуска специальных серебряно-цинковых аккумуляторов технологам пришлось создать не только новые конструкции, но и новые материалы, и электролиты.
