Об электромобилях весь мир мечтает уже многие десятилетия, но пока их используют лишь для перевозки небольших грузов на заводах или по утрам развозят продукты в некоторых странах.

Все дело в том, что электромобили могут проезжать без подзарядки лишь 60 — 100 км. А виной тому — аккумуляторы.

Например, при старте, когда якорь мотора электромобиля почти неподвижен, ток достигает сотен ампер и бесполезно тратится на нагрев аккумулятора. При движении по городу, из-за частых остановок и стартов, аккумуляторы электромобиля могут терять до половины энергии, полученной при зарядке.

Специальные исследования, проведенные в Германии в конце прошлого века, показали, что в городском цикле до колес электромобиля доходит лишь 10 % энергии, полученной от сети. (И несмотря на это, он и тогда был энергетически выгоднее автомобиля обычного, у которого до колес доходит лишь 7 % энергии бензина.)

Недостатки свинцового — самого распространенного аккумулятора — кроются в самой его конструкции, которая в сути своей не менялась больше ста лет. Его положительная пластина сделана из свинца, отрицательная представляет собою свинцовую решетку, ячейки которой заполнены диоксидом свинца РЬО2. Пластины погружены в раствор серной кислоты.

Не вдаваясь в подробности протекающих химических процессов, обратим внимание на то, что электрический ток, как при зарядке, так и при разрядке аккумулятора, течет вдоль поверхности пластин, через их незначительную продольную площадь, по большому пути и встречает при этом большое сопротивление (см. рис. 1).

На протяжении ста лет стараются свинцу придать такую форму, при который вес и потери были бы минимальны. Но прогресс в этом деле пока ничтожен. Лишь в последнее время удалось найти такую геометрию, что аккумуляторы стали на десять процентов легче. Но это, похоже, уже предел.

Между тем, как показывают расчеты, удельная энергоемкость свинцового аккумулятора может быть повышена в семь раз. Но тут нужны принципиально новые решения. Так, например, пытаются сделать отрицательную пластину в виде решетки из углеродного волокна с ячейками из диоксида свинца. Это может снизить вес в 3–4 раза. Но за два десятилетия работы так и не удалось сделать эту конструкцию достаточно прочной и долговечной.

Возможно, настоящую революцию может произвести одно забытое изобретение Николая Теслы, относящееся примерно к 1935 году. Это так называемый биполярный аккумулятор. Он представляет собою стопу свинцовых пластин, разделенных прокладками из пластмассовой сетки и помещенных в раствор серной кислоты. Электричество при зарядке подводится, а при разрядке отводится от двух крайних пластин.

Вот что при этом происходит. При подаче напряжения на крайние пластины падение напряжения распределяется между пластинами промежуточными. Обращенная в сторону анода поверхность каждой пластины заряжается отрицательно, а в сторону катода — положительно (рис. 2).

Вся прелесть идеи Теслы прежде всего в том, что ток течет поперек промежуточной пластины. Ему предоставляется вся ее огромная площадь, а путь очень короток. Следовательно, сопротивление пластины ничтожно мало.

Что же касается крайних пластин, то они, чтобы не вызвать значительных потерь, могут быть достаточно массивны. Их только две, поэтому вес крайних пластин мало скажется на общем весе устройства и с ним удастся достичь предельно большой энергоемкости — около 170 ваттчасов на килограмм. Энергоемкость современного аккумулятора, напомним, составляет 24 ватт-часа на 1 кг.

Н. Тесла, как известно, далеко не все свои идеи довел до реального воплощения. Биполярный аккумулятор одна из них, и вы можете попытаться претворить в жизнь идею великого электротехника. Для этого нужен лишь вытяжной шкаф, авометр и набор постоянных сопротивлений величиной 5 — 10 Ом, применяемых для лабораторных работ. Все это можно найти в любой школе.

Еще вам понадобится примерно 100 г свинца. Его приобретем в пунктах приема утильсырья. Биполярный аккумулятор (БА) по существу является своеобразным вольтовым столбом, состоящим из цепочки последовательно соединенных аккумуляторов. Каждая пара его пластин дает напряжение около двух вольт. От такого устройства легко получить довольно высокое напряжение, например, 220 В. От такого напряжения смогут работать дешевые мощные и легкие электромоторы.

Однако для первых опытов нам следует ограничиться безопасным напряжением 12 В. Внутреннее сопротивление аккумулятора в момент включения составит доли ома. Поэтому возможен ток в десятки ампер. Это значит, что лучше брать напряжение от зарядных устройств, применяемых автомобилистами. Они на такие токи рассчитаны.

На рисунке 3 приведен эскиз экспериментального БА. Его корпус — упаковка от авторучки. Два крайних его электрода сделаны из кусочков свинца толщиной 3–4 мм (оболочка от кабеля). К ним припаяны отрезки предварительно залуженного медного провода диаметром 1–2 мм. Промежуточные пластины (пять штук) тоже свинцовые. Все они должны быть тщательно обезжирены кипячением в мыльном растворе и изолированы от соприкосновения друг с другом двумя слоями полиэтиленовой сетки от комаров. Когда все детали подготовлены, БА следует собрать, укрепить на доске и залить раствором аккумуляторной кислоты.

ВНИМАНИЕ: эту операцию следует производить в вытяжном шкафу в присутствии учителя! Работать следует в защитных очках и кислотостойких перчатках. И последнее: никогда не лейте воду в кислоту. Только наоборот!

Биполярный аккумулятор в своем первоначальном состоянии — это всего лишь комплект свинцовых пластин. Только после первого подключения к выпрямителю он приобретет способность накапливать электричество. При этом на положительно заряженных поверхностях образуется плотный слой диоксида свинца РЬО2.

Как только он полностью покроет пластину, доступ кислоты к свинцу будет перекрыт. Дальнейшее пропускание тока бесполезно. Оно лишь приведет к нагреванию кислоты. После этого наш комплект из свинцовых пластин уже превратится в аккумулятор. От него можно получить ток, но очень кратковременный. Это связано с тем, что слой диоксида свинца получился тонким. Далее нужно приступить к формованию пластин. Оно заключается в том, что аккумулятор заряжают до начала кипения, затем разряжают и заряжают вновь, изменив при этом полярность зарядного напряжения. И так не менее десяти раз.

Отметим, что даже столь крохотный аккумулятор нельзя замыкать накоротко. Ток, который может на мгновение достичь сотен ампер, погнет пластины и сорвет с них слой диоксида свинца. Разряжать аккумулятор следует только через нагрузку, например, лампу!

Постепенно верхний слой свинца станет похож на губку, а толщина оксидного слоя достигнет примерно полумиллиметра. После этого ваш БА готов к употреблению.

На первом образце можно померить ЭДС и внутреннее сопротивление по известной методике, которую вы можете найти в учебнике. Но вспомним о нашей задаче. Нам с вами ведь очень важно померить энергоемкость аккумулятора. Это можно сделать, измеряя время горения лампы заранее известной мощности. Помножив мощность на время, вы получите работу (правда, не всю, а примерно 80 %), совершенную током аккумулятора во внешней цепи. Выразите ее в ватт-часах и разделите на вес аккумулятора в килограммах. Так вы получите энергоемкость, которая на первых порах не будет превышать 10 ватт-часов на кг.

Здесь-то и начнется самое интересное. Рассмотрите промежуточные пластины. Вы увидите, что толщина слоя свинца, а значит, его масса во много раз превосходит массу окисла. Это значит, что нужно далее уменьшать толщину свинца. Для этого нужно путем ковки свинца на наковальне заготовить более тонкие промежуточные пластины и собрать новый аккумулятор. Вновь подвергните его формованию и определите удельную энергоемкость; она должна возрасти. И так до тех пор, пока она не превысит 24 ватт-часа на кг — энергоемкость электромобильного аккумулятора. А после этого напишите нам.

А.ИЛЬИН

Рисунки автора