Электрические аккумуляторы*

— Русский академик Якоби впервые (в 1860 г.) применил для телеграфных целей принцип вторичных батарей, т. е. батарей, которые становятся источниками Э. энергии после того, как через них пропущен ток от другого источника тока. Гастон Планте воспользовался идеей Якоби и устроил вторичный элемент, состоящий из двух свинцовых пластинок, погруженных в воду, подкисленную серной кислотой. Такой элемент при соединении обеих пластинок металлическим проводником не дает тока, но если мы соединим пластинку А (фиг. 1), например, с положительным полюсом, а пластинку В с отрицательным полюсом некоторого источника тока и если от этого последнего начнет проходить ток через пластинки и жидкость данного элемента, то, выключив после некоторого времени источник тока и замкнув обе пластинки металлическим проводником, мы заметим, что этот элемент будет давать ток тем более продолжительный, чем больше будет сопротивление проводника, соединяющего обе пластинки, и чем дольше от данного источника пропускался через элемент ток.

Элемент Планте назван вторичным элементом потому, что он становится источником тока только после того, как через него был пропущен ток от другого источника; аккумулятором же его назвали потому, что он как бы собирает, аккумулирует электрическую энергию от данного источника тока; действительно, если мы, пропустив через вторичный элемент ток от данного источника тока, выключим его и оставим на некоторое время, то, замкнув потом этот элемент, мы получим от него ток; следовательно, такой элемент способен сохранять полученную электрическую энергию более или менее продолжительное время. Однако элемент Планте может аккумулировать электрическую энергию в более или менее значительном количестве только после нескольких пропусканий через него тока и следующих за каждым пропусканием тока замыканий пластин металлическим проводником, т. е., как говорят, после нескольких взаимно чередующихся зарядов и разрядов элемента. Такой процесс последовательных взаимно чередующихся зарядов и разрядов называется формированием (формовкой) аккумулятора. При заряде аккумулятора электрическая энергия пропускаемого через элемент тока частью идет на нагревание жидкости (вода, подкисленная серной кислотой), частью на образование у одной пластинки перекиси свинца (PbO 2), а у другой — свободно выделяющегося водорода; когда же элемент разряжается, то, как показали новейшие исследования, у обеих пластин получается сернокислый свинец. При второй зарядке (пропускание тока) на одной пластинке снова получается PbO 2, а на другой — свинец Рb, при следующей разрядке снова получается у обеих пластин сернокислый свинец и т. д. В формированном элементе процесс аккумулирования Э. энергии можно объяснить следующим образом: по закону сохранения энергии произведенная данными силами работа идет на преобразование (превращение) энергии одного вида в другой: так, работа (см. Энергия), затраченная на подъем груза на некоторую высоту, идет на преобразование потенциальной энергии груза, находившегося на поверхности земли, в потенциальную энергию того же груза на данной высоте над землей; иначе говоря, затраченная работа пошла на увеличение потенциальной энергии данного груза. Точно так же и в аккумуляторах работа пропускаемого при заряде тока идет на увеличение потенциальной энергии химических соединений. Во время же разряда накопленная потенциальная химическая энергия переходит снова в Э. энергию, причем химические соединения у пластин переходят в тот же вид, как и до заряда. Пластинки А и В, соединяемые — первая с положительным полюсом, а вторая с отрицательным полюсом источника тока, называются электродами, причем А получает наименование положительного электрода, а В — отрицательного электрода. При заряде перекись свинца (РbО 2) образуется у положительного электрода. Чем большее количество перекиси PbO 2 выделится у электрода А, тем большей потенциальной энергией будет обладать данный аккумулятор, а следовательно, тем большую электрическую энергию он способен дать после разряда. Однако по мере того, как образуется слой перекиси, покрывающей свинец пластинки А, тем труднее будет идти образование новых слоев перекиси; таким образом, аккумулятор при данных его размерах может принять лишь определенный заряд и по истечении определенного промежутка времени дальнейшее пропускание через аккумулятор тока будет производить лишь разложение воды и нагревание жидкости. Ясно, что чем больше будет поверхность электродов, тем больше образуется перекиси PbO 2 и тем, следовательно, больший заряд может воспринять данный аккумулятор. Вот почему в новейших конструкциях аккумуляторов типа Планте со свинцовыми электродами старались возможно больше развивать поверхность электродов. Необходимо, кроме того, чтобы образуемая перекись не отпадала от электрода, а держалась на этом последнем более или менее прочно, тем более, что при значительном разряде выделяемые у пластин газы, вырываясь наружу, стремятся оторвать частицы перекиси. Ввиду этого поверхности электродов придают такой вид и форму, чтобы, с одной стороны, выделяемые у электродов вещества удерживались прочно на их поверхности, а с другой стороны, выделяющиеся при разряде газы могли свободно циркулировать вдоль поверхности, не отрывая отложившихся продуктов. На фиг. 2 представлена пластинка аккумулятора акционерного общества в Гагена (Тюдор).

Ее поверхность АА изборождена желобками, глубина которых показана на чертеже под литерами ВВ, изображающем часть разреза пластинки АА по линии аb перпендикулярно к ее общей поверхности. На фиг. 3 представлена пластинка лондонской компании.

Поверхность электрода, как видно, развита до значительных пределов, а вместе с тем выделяющиеся газы могут свободно циркулировать, не повреждая накопляющейся в желобках перекиси свинца. Выше мы сказали, что аккумулятор типа Планте может накоплять Э. энергию в более или менее значительном количестве только после нескольких чередующихся между собой зарядов и разрядов. Это объясняется тем, что после последовательных зарядов и разрядов поверхности пластинок все глубже и глубже разрыхляются и тем дают возможность химическим реакциям, вызываемым действием пропускаемого через аккумулятор тока, проникать все глубже и глубже, и таким образом получаются все большие и большие массы перекиси свинца. Фор предложил для избежания долгой формовки приготовлять электроды в таком виде, при котором уже после нескольких зарядов и разрядов в аккумуляторе может образовываться значительное количество перекиси PbO 2. С этой целью он приготовлял электроды — положительный из теста, представляющего смесь из сурика Р b3 О 4, и серной кислоты H 2 SО 4, а отрицательный из смеси глета PbО и серной кислоты H 2 SО 4. В применяемых в настоящее время системах аккумуляторов эти массы намазываются на свинцовые остовы, форма которых приспосабливается к возможно лучшему укреплению теста. Аккумуляторы типа Фора называются аккумуляторами с наносными массами. Наиболее распространенными аккумуляторами подобного типа являются аккумуляторы Тюдора, остов пластинок которых показан на фиг. 4, причем под литерой А показан вид пластинки со стороны ее поверхности, а под литерой В — вид сбоку; в желоба b, b.... вмазывается тестообразная масса.

На фиг. 5 показан решетчатый остов электродов аккумуляторов известной английской фирмы Electrical Power Storage Company; масса вмазывается в отверстия решетки.

Зарядка, разряд и работа аккумуляторов. Во время заряда аккумулятора при накоплении в нем потенциальной энергии между его электродами развивается электродвижущая сила, противоположная электродвижущей силе (или напряжению) источника, от которого пропускается через аккумулятор ток, подобно тому, как при закручивании или сжатии пружины в этой последней развивается давление, противоположное внешнему усилию, действующему на пружину. Работа тока, идущая на преодоление этой противоположной его направлению электродвижущей силы, измеряет собой как раз ту энергию, которая накопляется в каждую единицу времени в аккумуляторе. Так, если электродвижущая сила, развиваемая аккумулятором, будет e, а сила проходящего через него тока i, то работа тока, идущая на накопление в каждую секунду энергии в аккумуляторе, будет: e·i. Но, кроме тока, работа, производимая зарядным током, затрачивается еще на нагревание в аккумуляторе вследствие того, что жидкость между его электродами представляет некоторое сопротивление. Пусть r — это сопротивление, тогда работа тока, расходуемая в секунду на нагревание в аккумуляторе, будет: ri2. Таким образом, в каждую секунду зарядным током в аккумуляторе будет затрачиваться работа: ei + ri2.

Пусть E напряжение, развиваемое у электродов А и В (фиг. 1) аккумулятора источником, заряжающим этот аккумулятор. Если i — сила зарядного тока, то работа, производимая упомянутым источником у электродов А и В, будет: Е· i; эта работа должна быть равна раньше вычисленной ei + ri2, а потому мы будем иметь:

Ei = ei + ri2,

откуда E = e + ri

i = (E — e)/r.

Отсюда мы видим, во-первых, что для того, чтобы через аккумулятор прошел ток, необходимо, чтобы развиваемое заряжающим источником напряжение E у электродов аккумулятора было больше, чем развиваемая этим аккумулятором электродвижущая сила, а во-вторых, чем больше будет E по отношению к e, тем больше будет и сила зарядного тока. Однако нельзя чрезмерно увеличивать силу этого последнего, ибо тогда чрезмерно будет нагреваться жидкость и часть тока пойдет просто на разложение воды, и следовательно, значительная доля Э. энергии заряда будет пропадать даром; вот почему соответственно размерам поверхности электродов определяются нормы зарядного тока и обыкновенно силу этого последнего относят на единицу поверхности электрода (положительного) и говорят, что на квадратный см сила зарядного тока должна быть столько-то ампер, иногда эту силу тока относят к единице веса электродов (положительного и отрицательного вместе). Чем большую силу тока можно допустить на 1 кг электродов, тем быстрее зарядится аккумулятор. Развиваемая аккумулятором при его заряде электродвижущая сила не остается все время постоянной: в начале она быстро растет до 1,8 вольт, затем медленно увеличивается до 2,1 или 2,15 вольт, после чего опять быстро поднимается до 2,5 вольт и, наконец, медленно возрастает до 2,6 или 2,7 вольт; когда электродвижущая сила аккумулятора достигла этого значения, то заряд можно считать оконченным, после этого аккумулятор, как говорят, начинает кипеть: в нем начинается сильное выделение газов, происходящих от разложения воды. Аккумуляторы заряжают током от динамо-машины; при этом необходимо наблюдать, чтобы напряжение динамо-машины было все время больше, чем развиваемая аккумуляторами электродвижущая сила, иначе может случиться, что к концу заряда ток от аккумуляторов пойдет обратно в эту последнюю и сожжет ее обмотки. Так, если мы хотим зарядить батарею аккумуляторов в 10 элементов, соединенных последовательно, и возьмем динамо-машину, развивающую 22 вольт, то сначала ток будет идти от динамо в аккумуляторы до тех пор, пока электродвижущая сила каждого элемента не дойдет до 2,15 вольт (см. выше), а следовательно, для 10 элементов до 21,5 вольта; после этого электродвижущая сила аккумуляторов сразу поднимется до 2, 5 x 10 = 25 вольт, и тогда ток пойдет уже не от динамо, а обратно, от аккумуляторов к динамо, и если эта последняя будет динамо с последовательным возбуждением (см. Динамо-машины), то этот ток, проходя через обмотки электромагнитов в обратном направлении, размагнитит ее, затем в зависимости от его силы сожжет все обмотки. Применяя шунтовую динамо-машину, нет опасения в размагничиваний, но возможны также случаи перегорания обмоток. Ввиду этого для зарядки аккумуляторов, во-первых, применяют преимущественно шунтовые динамо-машины, а во-вторых, между динамо и аккумуляторами вставляют автоматический прерыватель тока, размыкающий цепь в том случае, когда ток, направляющий от динамо к аккумуляторам станет равным нулю, ибо после этого момента, если цепь не прервана, может пойти ток обратного направления. При разряде электродвижущая сила аккумулятора также не остается постоянной, а уменьшается по мере истощения разряда; в первый же момент, когда элемент замкнут на рабочую цепь, электродвижущая сила быстро падает до 2,2 вольт, затем немного медленнее уменьшается до 2,05 вольта, далее весьма медленно понижается до 1,6 вольт, после чего уже быстро убывает почти до нуля; вот почему практически разрядку приостанавливают, когда электродвижущая сила дошла до 1,8 вольт. Предположим, что данная батарея аккумуляторов давала до конца практического разряда на данную цепь (например на цепь лампочек) в течение t часов силу тока i, причем электродвижущая сила батареи в среднем была е. Пусть e' электродвижущая сила (или напряжение) у внешних зажимов батареи, т. е. у мест, где берет начало от крайних электродов данная рабочая цепь; предположим, что внутреннее сопротивление батареи равно r (сопротивление всей жидкости и соединительных частей между двумя крайними электродами). Энергия, вырабатываемая в секунду батареей, будет ei, энергия, расходуемая в рабочей цепи — e'i, а энергия, расходуемая на нагревание в батарее, — ri2; таким образом, мы будем иметь:

ei = e'i + ri2,

откуда е = е' + ri,

или е' = е — ri.

Это показывает, что напряжение у внешних зажимов батареи равно полной ее электродвижущей силе минус падение вольт внутри батареи. За время t часов батарея разовьет энергию ei ∙t, полезная энергия, которая получится в цепи, будет e'i∙t. Если е, е' выражены в вольтах, i в амперах, то произведения ei∙e'i будут выражать ватты, a eit и e'it — ватт-часы (при условии, что время t выражено в часах). Таким образом, e'it представляет собой количество полезных ватт-часов, которое может дать батарея при разряде. Эта величина называется полезной емкостью батареи по энергии, произведение же i't, число ампер-часов, называется полезной емкостью по количеству или полезной емкостью в ампер-часах. Если при разряде от батареи брали сначала ток i1 в течение времени t1 часов, а затем до конца разряда ток i2 в течение времени t2, то полезная емкость по энергии будет: e'i1t1 + e'i2t2, а в ампер-часах: i1t1 + i2t2.

Предположим, что для зарядки батареи потребовалось Т часов, причем зарядный ток был все время I, а напряжение, которое необходимо было развивать от данного источника (например, динамо-машины) у зажимов внешних электродов батареи, было в среднем E; тогда энергия, которую сообщили батарее при ее заряде, будет в ватт-часах EI∙T, число же ампер-часов, сообщенных при заряде, будет I∙T. Если бы зарядка происходила при разных токах, например в течение времени Т 1 шел ток I1, в течение времени T2 — ток I2 и до окончания заряда, в течение времени Т 3, ток I3, то энергия, сообщенная батареей в ватт-часах, будет: ЕI 1 Т 1 — ЕI 2 Т + ЕI 3 Т 3, а число ампер-часов: I1 Т 1 — I2 Т 2 + I3 Т 3. Предположим, что для полной зарядки батареи необходимо было сообщить всего W ватт-часов, а получили от нее при разряде до практического истощения (т. е. когда электродвижущая сила каждого элемента дошла до 1,8 вольт) W' ватт-часов. Отношение W'/W называется отдачей, или коэф. полезного действия по энергии. Если для зарядки потребовалось всего Н ампер-часов, а получили мы от батареи всего Н' ампер-часов, то отдача по количеству или по ампер-часам выразится отношением Н'/Н. Отдача по энергии применяемых на практике свинцовых аккумуляторов колеблется от 70 до 75 %, а отдача по количеству — от 80 до 85 и редко до 90 %. Полезную емкость, как по энергии, так и по количеству, часто относят к единице веса электродов батареи, и такая емкость называется удельной емкостью. Так, если полезная емкость по энергии данной батареи равна W ватт-часов, а вес всех пластин (электродов) равен Р килограммов, то удельная емкость по энергии будет W1 =W/P; точно так же удельная емкость в ампер-часах (по количеству) будет: H1 = H/P, где H полезная емкость батареи в ампер-часах. Для переносных целей, для автомобилей, электрических трамваев и т. п. удельная емкость должна быть возможно больше. Приведем теперь некоторые практические данные. Каждый элемент может состоять из нескольких пластин (электродов). Положительные электроды соединяются вместе параллельно; то же делают и с отрицательными электродами, причем эти последние вставляются в промежутки, образуемые положительными электродами. Общая полоса, соединяющая положительные электроды, представит собой положительный полюс элемента, а такая же полоса, соединяющая отрицательные электроды, представит отрицательный полюс. Собранные таким образом группы электродов вставляются в стеклянный или обитый свинцом деревянный сосуд, но так, чтобы пластинки не касались дна и чтобы не было металлического соединения между положительными и отрицательными электродами. На фиг. 6 показан один из таких элементов в собранном виде, в стеклянном сосуде.

Отростки А, А' полос, соединяющих положительные и отрицательные электроды, служат для присоединения проводов внешней цепи. Элементы аккумуляторов, подобно гальваническим элементам, можно соединять последовательно и параллельно (на фиг. 7 схематически показано последовательное соединение трех элементов, состоящих каждый из 5-ти положительных электродов и 4 отрицательных).

Как видно, отрицательная электродная полоса bb' первого элемента соединена с положительными электродами 2-го элемента и т. д.

Элементный коммутатор. Мы уже показали выше, что при разрядке аккумуляторов Э.-движ. сила уменьшается: вначале ее можно считать равной 2,2 вольта (ибо в первый же момент она падает до этого значения), а в конце — 1,8 вольт. Если, следовательно, нам необходимо поддерживать во время разряда в данной цепи постоянное напряжение, например, 100 вольта, то необходимо, чтобы вначале было всего элементов

, а в конце разряда

. Отсюда ясно, что аккумуляторы необходимо включать в данную цепь при посредстве такого коммутатора, который давал бы возможность постепенно (по мере того, как Э.-движ. сила падает) включать добавочные элементы, начиная от 46 до 56. Принцип такого коммутатора изображен на схеме фиг. 8.

Переставляя рукоятку В, можно вводить в данную цепь АА' от 46 по 56 элементов. Для того, чтобы при передвижении ручки не было перерыва в цепи, пластинки коммутатора отделяют промежутками меньшими, чем ширина ручки В. Но в таком случае всегда будет момент, когда ручка В замкнет тот или другой элемент на короткое, например, когда рукоятка В будет лежать одновременно на двух смежных пластинках коммутатора. Для устранения такого короткого замыкания устраивают промежуточные пластинки а' b' с'... (фиг. 9), соединенные с пластинками a, b, с... сопротивлениями x.

При таком приспособлении во время перехода рукоятки В от одного контакта к другому соответствующие элементы будут замыкаться через эти сопротивления x, как это видно на чертеже в положении 1 ручки В. В положении 2, когда ручка В касается одновременно пластинки с и добавочной пластинки b', сопротивление x замкнуто на короткое ручкой же В и, следовательно, ток от аккумуляторов пройдет прямо от пластинки с через рукоятку В, минуя сопротивление x. То же самое будет при всех аналогичных положениях рычага В, т. е. при положениях, когда этот последний будет одновременно лежать на главной и вспомогательной пластинках, соединенных между собой сопротивлением x. Положение 3 соответствует нормальному положению рычага В. Вместо того, чтобы включать сопротивления x между пластинками а'b, b'с и т. д., делают ручку В из двух изолированных одна от другой частей, между которыми и включают сопротивление x (фиг. 10).

При зарядке, когда Э.-движущая сила батареи аккумуляторов возрастает, можно при посредстве элементного коммутатора выключать последовательно элементы один за другим. На больших установках батареи аккумуляторов применяют большею частью для параллельной работы с динамо-машинами с целью уравнять нагрузку этих последних: в часы наименьшей нагрузки в данной сети (например в осветительной сети), когда требуется небольшой ток, динамо-машина избыток энергии посылает в аккумуляторы, заряжая эти последние, а в часы наибольшей энергии батарея аккумуляторов вместе с динамо-машиной дает ток в данную сеть. Это дает возможность применять динамо-машины мощности меньшей, чем того требует данная установка, и, кроме того, динамо будет работать все время равномерно. Поясним это примером. Предположим, что у нас имеется установка на 200 ламп, требующих каждая по 50 ватт. Когда все лампы будут гореть, то необходимо давать энергию 50 x 200 = 10000 ватт и пришлось бы иметь динамо мощностью на 10000 ватт. Но допустим, что в определенные часы всего будет гореть только 50 ламп, тогда потребуется мощность только 50 x 50 = 2500 ватт; таким образом, динамо-машина будет работать всего только на 1/4 полной ее мощности. Возьмем динамо не на 10000, а только на 5000 ватт и присоединим к ней батарею, которая могла бы давать остальные 5000 ватт. В то время, когда будут гореть только 50 ламп, динамо-машина будет давать в цепь 2500 ватт, остальные же 2500 ватт пойдут на зарядку батареи; когда же в цепи зажгут, напр., 150 ламп, динамо-машина будет давать в цепь 5000 ватт, а остальные 2500 ватт (ибо всего нужно при 150 лампах 7500 ватт) будет давать батарея. Точно так же при 200 лампах динамо будет давать 5000 ватт, а остальные 5000 ватт добавит батарея. Отсюда видно, что, применяя батарею для данной установки на 200 ламп, можно взять динамо-машину только на 5000 ватт (вместо 10000) и, кроме того, эта динамо будет работать все время на одинаковую нагрузку, т. е. равномерно, что гораздо выгоднее как для работы динамо-машины, так и приводящей ее в движение паровой машины. На фиг. 11 приведена схема параллельного включения динамо-машины и батареи аккумуляторов.

Элементный коммутатор А служит для зарядки батареи от динамо-машины, а коммутатор В для разрядки в цепь kk'. Когда рукоятка переключателя и поставлена на контакт а, то батарея и динамо-машина работают совместно на цепь kk', при положении же рукоятки на контакте b, динамо-машина дает ток в сеть и заряжает батарею, а эта последняя отделена от сети kk'. Кроме свинцовых аккумуляторов, были сделаны попытки применять и другие вторичные элементы. Так, были предложены медно-цинковые элементы, в которых одним из электродов является цинк, другим — окись меди, жидкостью же служит раствор едкого кали. Эти аккумуляторы оказались малопригодными вследствие быстрой их порчи и вследствие сравнительно низкой электродвижущей силы (0,9 вольта на элемент). В последнее время Эдисон привлек внимание ученого и технического мира изобретением нового аккумулятора, состоящего из окиси никеля (положительный электрод) и порошкообразного железа (отрицательный электрод), причем жидкостью (электролитом) служит раствор едкого кали. Вот некоторые данные относительно этого аккумулятора: электродвижущая сила в конце заряда 1,5 вольта, средняя электродвижущая сила при разряде 1,1 вольта, удельная емкость по энергии 30,85 ватт-часов на килограмм, что является значительной удельной емкостью по сравнению со свинцовыми аккумуляторами. Однако до сих пор еще нет положительных данных о практических результатах испытаний этих аккумуляторов. Ср. Грюнвальд, "Устройство и употребление электрических аккумуляторов"; Норре, "Die Akkum ulatoren für Elektricitat"; Shop, "Handbuch der elektrischen Akkumulatoren"; Sieg, "Die Akkumulatoren"; Zacharias, "Die Akkumulatoren"; Loppé, "Les accumulateurs électriques".

П. Войнаровский.