Электрохимические источники тока

Примерно до 1870 г. наиболее распространенными источниками тока были электрохимические, т. е. гальванические элементы и аккумуляторы. В дальнейшем преобладающим типом источников электрического тока стали электромашинные генераторы.

Простейшими гальваническими элементами были элементы с одной жидкостью; к числу таких элементов принадлежали вольтов столб и его видоизменения — чашечный элемент Вольты и др. Всем таким генераторам тока были свойственны недостатки, усложнявшие их применение, а следовательно, и внедрение практических электротехнических устройств на базе таких генераторов.

К числу наиболее существенных недостатков следует отнести: сравнительно быстрое ослабление действия батарей, вызывавшееся, как позднее было установлено, гальванической поляризацией, малая энергоемкость, а также неудобство эксплуатации и неприспособленность батарей для транспортировки.

В большинстве гальванических элементов в качестве отрицательного электрода применялся цинк, большой расход которого определял дороговизну генерируемой энергии. Если цинк был недостаточно чистым и одержал примеси (свинец, железо и др.), то при погружении его раствор серной кислоты возникали местные токи. Это приводило к тому, что даже при разомкнутой внешней цепи цинк взаимодействовал с кислотой и растворялся.

Пока не были построены принципиально новые генераторы электрического тока, нужно было искать возможности каким-либо путем устранить хотя бы некоторые из перечисленных недостатков.

Исследования процессов в гальванических элементах привели к открытию явления гальванической поляризации (А. С. Беккерель, 1826 г.) которое объяснялось скоплением пузырьков водорода у медного электрода.

Поляризация электродов оказывает сильное влияние на постоянство действия элемента. Для устранения поляризации были испробованы различные средства: механическое удаление с медного электрода газа по мере его образования, придание электроду шероховатой поверхности, чтобы пузырькам водорода труднее было приставать, и т. д.

Однако действительно практическое решение было достигнуто поглощением водорода в результате химической реакции, возникшей в элементе при участии второй жидкости, служащей деполяризатором.

В 1829 г. Беккерель дал принципиальную конструкцию гальванического элемента с двумя жидкостями: сосуд (разделялся пористой перегородкой (например, из слабо обожженной глины) на две части, каждая на которых вмещала одну из жидкостей и один электрод.

В первых образцах нового гальванического элемента применялись две жидкости: азотная кислота и раствор поташа, а один доз электродов изготавливался из платины.

Позднее Беккерель построил более дешевый элемент, в котором в одну половину сосуда был налит раствор поваренной соли и погружен цинковый электрод, a в другую половину сосуда, отделенную пористой перегородкой, — раствор медного купороса, в который погружался медный электрод.

С этого времени (1829 г.) гальванические элементы с одной жидкостью почти выходят из употребления. В короткий промежуток времени появился ряд усовершенствованных конструкций гальванических элементов с двумя жидкостями. Для придания цинковому электроду большей устойчивости и устранения вредного действия примесей, могущих содержаться в цинке, было введено амальгамирование поверхности цинкового электрода.

Другим направлением в области создания электрохимических источников тока было построение электрических аккумуляторов, или «вторичных элементов», как они долгое время назывались.

Принципиальная возможность аккумулирования электрической энергии была установлена еще в начале XIX в., но только в 1854 г. немецкий врач В. И. Зинстеден открыл способ аккумулирования больших количеств электрической энергии, наблюдая явление поляризации, отличное от обычной гальванической поляризации.

Это явление заключалось в том, что при пропускании тока через свинцовые электроды, погруженные в разведенную серную кислоту, положительный электрод покрывался двуокисью свинца. При замыкании электродов такого элемента накоротко получался сильный ток в течение более продолжительного времени, чем действовал обычный ток поляризации; такое явление в цепи наблюдалось до тех пор, пока вся двуокись свинца не израсходовалась.

В 1859 г. француз Гастон Планте, по-видимому независимо от Зинстендена, наблюдал то же явление и на его основе построил свинцовый аккумулятор. Очень скоро было установлено, что чем более пористыми будут свинец на одном электроде и двуокись свинца на другом, тем больший запас электрической энергии будет содержать аккумулятор. Эта пористость достигалась с течением времени продолжительным повторением зарядки и разряда аккумулятора; только примерно через 500 ч работы аккумулятора происходило достаточное формирование его пластин.

Искусственное формирование аккумуляторных пластин было введено в практику в 80-х годах, и это способствовало значительному улучшению действия аккумуляторов.