Батареи являлись основными источниками электричества до изобретения в конце XIX века электрогенераторов и электрических сетей. Успех в создании батарей ускорил развитие большинства электрических приборов: от телеграфов и телефонов до портативных компьютеров, мобильных телефонов и электроавтомобилей.

Разработаны несколько основных типов батарей, производимых в промышленном масштабе. Например, «мокрые ячейки» представляют собой открытые контейнеры с погружёнными в раствор или расплав электролита металлическими электродами, которые после выработки ресурсов заменяют на новые. Такие ячейки неудобно использовать в переносных устройствах, например, электроавтомобилях, но они подходят для телеграфных и телефонных сетей, тогда как в ранних автомобилях применяли «полузапечатанные мокрые ячейки».

Другой способ классификации батарей основан на их способности к циклической работе в режиме заряд-разряд. В соответствии с этим, «первичными» батареями называют (в российской науке приняты обозначения «первичный источник тока» и «вторичный источник тока», однако в данной статье, для удобства, мы будем использовать обе номенклатуры) устройства, которые неспособны к перезарядке электрическим током. «Вторичные» батареи, например, свинцово-кислотные, никель-кадмиевые и более современные разработки, могут быть заряжены после использования, что значительно увеличивает срок службы. Благодаря этому, с открытием никелевых и литиевых батарей во второй половине XX века изобретены бесчисленные портативные электронные устройства: от мощных фонариков до мобильных телефонов. Самые большие стационарные батареи находят применение в промышленных электрических сетях, где они служат для стабилизации распределения мощности сети.

Открытие источников тока До создания первых батарей в середине XVIII века учёные применяли Лейденские банки для хранения электрического заряда. Лейденские банки, которые представляли собой простые конденсаторы, в отличие от электрохимических ячеек, физически сохраняли свой заряд и мгновенно высвобождали его. Многие экспериментаторы стали соединять несколько лейденских банок вместе, чтобы удерживать больший заряд, и одним из них был изобретатель из американских колоний Бенджамин Франклин. Возможно, он был первым, кто назвал своё устройство «электрической батареей», обыгрывая военный термин, обозначающий несколько орудий, работающих синхронно.

Следующий шаг в развитии источников тока совершил Алессандро Вольта, разработки которого основывались на открытиях Луиджи Гальвани. Он полагал, что наблюдаемые в Лейденской банке явления обусловлены контактом двух различных металлов через смоченную водой прокладку. А. Вольта подтвердил свои гипотезы экспериментами, первые результаты которых были опубликованы в 1791 году. В 1800 году он собрал первую батарею, запасавшую и высвобождавшую заряд посредством химической реакции, а не только через пространственное разделение заряда. Это устройство известно сейчас как «Вольтов столб». Оно состояло из пар медных и цинковых дисков (также подходила пара серебряный — медный диск), между которыми проложены куски ткани или картона, пропитанного рассолом (то есть раствором электролита). Так как механизм хранения заряда отличался от Лейденской банки, ток от Вольтова столба был стабильным, а потери заряда были малыми, при этом напряжения на концах цепи не хватало для появления искр.

Вольта полагал, что электрический ток является результатом лишь физического соприкосновения двух разных материалов (сейчас эта устаревшая теория известна как теория контактного напряжения), а не химической реакции между ними. Вследствие этого А. Вольта считал, что коррозию цинковых дисков в «столбе» можно преодолеть изменением материала. Тем не менее, учёным всё ещё не удалось надёжно защитить цинковый электрод от коррозии при работе батареи. В действительности замечено, что скорость коррозии растёт при увеличении протекающего тока. Этот факт заставил отвергнуть теорию контактного напряжения и подтвердил наличие химической реакции между электродами. Схема цинк-медной батареи, приложенная к этому разделу, отличается от оригинальной схемы «Короны кубков» или «Вольтого столба», предложенной самим А. Вольта, тем, что лишние с современной точки зрения детали батареи удалены. Схема демонстрирует, что «контактное напряжение» не является источником электродвижущей силы в «Вольтовом столбе».

Предложенный Вольта источник тока имел некоторые технические недостатки, так, утечка раствора электролита и деформация тканевых прокладок под весом электродных дисков вела к коротким замыканиям. Шотландский учёный Уильям Крукшенк улучшил конструкцию, расположив медно-цинковые пары в коробке, а не в виде вертикального столба, что принято называть желобовой батареей. А. Вольта также предложил модификацию «столба»: несколько сосудов, заполненных раствором соли, были соединены медными и цинковыми дугами, касающимися растворов в сосудах. Эта конструкция получила название «Корона кубков»

Другой проблемой «Вольтова столба» стало малое время работы (не более часа), что вызвано двумя причинами: при протекании тока происходило восстановление воды, вследствие чего выделялся газообразный водород, адсорбирующийся на медном электроде, что увеличивало внутреннее сопротивление, а также формирование токов около примесей в цинке, что вызывало деградацию цинкового электрода (в современной науке эти явления названы поляризацией и локальными токами, соответственно). Проблема локальных токов была решена в 1835 году английским изобретателем Уильямом Стёрдженом, который обнаружил, что амальгамированный цинк (сплав цинка и ртути) не подвержен их действию.

Несмотря на недостатки элемента Вольта, он мог обеспечить стабильный ток, в отличие от Лейденской банки, что позволило проводить более совершенные эксперименты. Например, английскими хирургом Энтони Карлайлом и химиком Уильямом Николсоном впервые был проведён электролиз воды.

Первые батареи

Элемент Даниэля

Проблема абсорбции пузырьков водорода в элементе Вольта была решена в 1836 году профессором химии из Англии Джоном Фредериком Даниэлем. В его устройстве использовано два раствора электролита, в одном из которых при работе ячейки происходило выделение, а в другом поглощение пузырьков водорода. Так, элемент Даниэля состоял из двух вложенных сосудов, больший из которых был из меди, а меньший — из пористой глины (пористая структура позволяла обмениваться ионам без смешения растворов). В больший сосуд помещали раствор сульфата меди, а в меньший — раствор серной кислоты и цинковый электрод.

Элемент Даниэля значительно улучшил существующую технологию источников тока и стал первым широко используемым источником электроэнергии. Он обеспечивает более длительный и надёжный ток, чем Вольтов столб, а также был более коррозионностойким. Рабочее напряжение элемента Даниэля составляет примерно 1,1 вольта, что вскоре стало отраслевым стандартом использования, особенно в новых телеграфных сетях. Кроме того, он был использован для первого стандарта единицы измерения электродвижущей силы «вольт»http://seaus.free.fr/spip.php?article964 History of the electrical units, retrieved Feb 23, 2018.

Элемент Бёрда В 1837 году терапевт из больницы Гая Голдинг Бёрд представил модификацию элемента Даниэля, где пористая глина была заменена на гипс. Эксперименты с ячейкой Бёрда послужили основой для новой науки — электрометаллургии.

Ячейка «пористый горшок»

В 1838 Джон Дэнсер предложил новую модификацию элемента Даниэля. Она состояла из концентрических цилиндров, центральным из которых был цинковый анод, погружённый в пористый глиняный сосуд, заполненный раствором сульфата цинка. В свою очередь, глиняный сосуд помещали внутрь медного цилиндра (катода для этой ячейки), заполненного раствором сульфата меди.

Гравитационная ячейка

В 1860-х выходец из Франции по фамилии Каллауд изобрёл вариант элемента Даниэля, названный гравитационной ячейкой. В этой более простой версии не использован пористый барьер, что уменьшает внутреннее сопротивление системы, и, таким образом, батарея даёт более сильный ток. Она стала популярной среди американских и британских телеграфных сетей и широко использовалась до 1950-х годов.

Гравитационная ячейка состоит из стеклянной банки, на дне которой находится медный катод, а под крышкой подвешен цинковый анод. Кристаллы сульфата меди рассыпают вокруг катода, после чего наполняют дистиллированной водой. При подаче тока вокруг анода образуется слой раствора сульфата цинка, который отделён от нижнего слоя раствора, обогащённого сульфатом меди, ввиду более низкой плотности последнего. В отличие от синего слоя сульфата меди, раствор, обогащённый сульфатом цинка бесцветен, что позволяет визуально оценить срок службы ячейки. Однако, элемент не лишён недостатков: его можно использовать только в стационарном приборе, иначе растворы смешаются или разольются, необходимо постоянно подавать ток, чтобы предотвратить смешивание двух растворов путём диффузии, поэтому он непригоден для периодического использования.

Ячейка Поггендорфа В ряде работ, направленных на минимизацию адсорбции водорода на поверхности меди, использовали два раствора электролитов, разделённых пористой мембраной, в одном растворе при протекании тока выделялись пузыри водорода (его и называют раствором электролита), в другом пузыри поглощаются (такой раствор называют деполяризатором). Немецкий учёный Иоганн Кристиан Поггендорф в 1842 году исключил проблему с разделением растворов электролита и деполяризатора через пористую мембрану. В ячейке Поггендорфа, иногда называемой ячейкой Грене из-за работ Юджина Грене, проводимых около 1859 года, в качестве раствора электролита использована разбавленная серная кислота, а деполяризатора — хромовая кислота, что послужило основой для другого названия — ячейка хромовой кислоты. Также элемент Поггендорфа называют «бихроматной ячейкой», так как хромовую кислоту часто готовят в самой ячейке, приливая серную кислоту к бихромату калия. Обе кислоты смешивались, что позволяло поглощать водород. Положительный электрод (катод) представляет собой две углеродные пластины, между которыми расположена цинковая пластина (отрицательный электрод или анод). Из-за склонности смеси кислот вступать в реакцию с цинком предусмотрен механизм, позволяющий очистить цинковый электрод от кислот.

Рабочее напряжение элемента Поггендорфа составляет 1.9 В, что сделало его популярным среди учёных на протяжении многих лет. Кроме того, отсутствие испарений и долгий срок службы также являются преимуществами элемента. Однако, относительная хрупкость его тонкого стеклянного корпуса и необходимость поднимать цинковую пластину, когда элемент не используется, в конечном итоге привели к тому, что он вышел из моды. На основе данной ячейки создана ячейка Фуллера, отличие которой было в том, что две кислоты разделялись пористым контейнером, а цинковый электрод обрабатывается ртутью с образованием амальгамы.

Ячейка Грове В 1839 году валлиец Роберт Грове представил ячейку, состоящую из цинкового анода, погружённого в серную кислоту, и платинового катода, погружённого в азотную кислоту, разделённых пористой глиняной мембраны. Ячейка Грове имеет вдвое большее рабочее напряжение, чем элемент Даниэля, однако во время работы выделяются ядовитые пары оксида азота. Кроме того, напряжение резко падало при уменьшении степени заряда ячейки, а также производство ячейки требует дорогой платины.

Ячейка Дуна Альфред Дун в 1885 году создал ячейку, где, как и в элементе Даниэля, два раствора были разделены пористой перегородкой, но между собой растворы отличались только степенью разбавления царской водки (смеси соляной и азотной кислот). Таким образом, водород, выделяющийся на графитовом электроде в разбавленном растворе кислоты, поглощался в концентрированном растворе кислоты, в которую был погружён железный электрод. Элемент мог поддерживать рабочее напряжение до 12 часов, что использовалось в освещении лампами накаливания.

Перезаряжаемые батареи и сухие элементы

Свинцово-кислотные аккумуляторы