Утро в лаборатории пахнет ионом лития и машинным маслом. Я часто ловлю себя на мысли: без аккумулятора никто не услыша́л бы рёв стартерного двигателя. Моё путешествие по его истории началось двенадцатью годами ранее, во время курса «Электрохимия транспорта».
Пламя факелов на рынках древнего Ктесифона отражалось от глиняных кувшинов, внутри которых археологи обнаружили медь и железо. При добавлении уксусного электролита пара выдавала напряжение около одного вольта. Никаких чертежей, лишь импровизация ремесленников — архетип будущей батареи.
Гальваническое озарение
Переходим в XVIII столетии. В университетах Италии обсуждают лягушачьи ноги доктора Гальвани. Я пытался повторить опыт со стартовым кабелем от своего родстера: мышечный тик возникал при касании разными металлами. Волта добавил к демонстрации стройность — медь, цинк, подмоченная салфетка, и напряжение стало накапливаться в столбике. Так родилась pila voltaica — первая сточная канавка для электронов, как метко шутили студенты.
Инженеры каретных заводов довольно быстро поняли выгоду: искра поджигает смесь быстрее, чем кремневый колесцовый механизм. Однако стеклянные баночки с солевыми дисками хрупки, масса велика, а разряд ускоряется через час непрерывной нагрузки.
Даниэль отвечал на вызов медью, цинком, сульфатом и пористой перегородкой. Упала внутреннее сопротивление — термин, обозначающий скорость бегства зарядов через кристаллическую решётку. Теперь телеграфные линии протянулись от Лондона до Ливерпуля без ежечасной смены банок.
Свинцовый переворот
Кузницы индустриальной эры требовали стартер для бензиновых моторовмоторов. В 1859 году Пла́нте погрузил в разбавленную серную кислоту две свинцовые пластины. После череды зарядных импульсов с поверхности выделился диоксид, и клетка реакций замкнулась. Получился первый аккумулятор — прибор с обратимостью химических преобразований. Я всегда сравниваю его с лёгким атлетом, набирающим кислород на стадионе и отдающим его на финишной прямой.
Свинец покорил автомобилистов прочностью и ценой, однако плотность энергии казалась каменной. Фара девятнадцатого века весила, как саквояж с чугуном. Конкурент из никеля и кадмия шагнул вперёд. Юнгер разложил пластины гидроксидами, подарив им память заряда — каприз, известный под термином «эффект Кашчие». После сотен циклов ёмкость внезапно спотыкалась на фиксированном уровне.
Я наблюдал эту капризность на испытательном стенде грузового тягача: после полутора лет буксировки ёмкость проседала ровно до 70 %. Механики ругались, я записывал графики.
Литиевый прорыв
Конец двадцатого столетия принёс новый элемент таблицы Менделеева в автосалон. В 1970-х Уиттингем, Гуденаф и Ёсино построили ячейку, где литий полз между графитовыми слоями, словно альпинист по расщелине. Катод из оксида кобальта удерживал его в обратном направлении. Выражение «интеркаляция» обозначает данный процесс. Результат — удельная энергия превысила старый свинцовый рекорд почти в пять раз.
Первое знакомство произошло на прототип электрокара с индексом EV-01. Мы попытались зажечь мотор-колесо в минус двадцать. Литиевые ионы замерли, импеданс вспорхнул до планки в сто миллион. Подогрев спас ситуацию. С тех пор любой аккумуляторный блок оснащенщается термостатом и утеплителем, будто спальный мешок альпиниста.
Современный ультратонкий сепаратор напоминает кружево, сплетённое из полиолефина. Толщина — пять микрон. Через поры диаметр которых меньше диаметра лейкоцита, катионы пробираются подобно утреннему трафику мегаполиса, не теряя скорость.
Электрохимики уже вынашивают твердотельную конструкцию: жидкий электролит уступает место стеклокерамики на основе фосфата лития. Термин «ультраплотное зерно» описывает микрокристаллы, блокирующие дендриты — игольчатые выросты, рвущие сепаратор. Спаренные пластины накрываются вакуумно-плазменным напылением, а плотность энергии растёт до уровня авиационных керосиновых баков.
В лаборатории Nissan я видел другую дорожку — алюминиевый анод, кислородный катод. Такие элементы раскрываются только при движении: кислород забирается из набегающего воздуха. Коэффициент массы к пробегу грозит устареванию баков для бензина.
Подобные рубежи заставляют меня мысленно вернуться к выцветшей глине из Ктесифона. Между ними — тысячи инженерных хороводов, сплетённых вокруг одного желания: запасти электричество в коробке, годной для колёс.
Следующий рассвет, вероятно, принесёт батарею без металлов, основанную на органических радикалах или графеновых листах, вибрирующих при заряде, как перья колибри. Под капотом, где раньше рычал V8, зазвучит шёпот плазмонов.
