experimenty
v roce 1749 Benjamin Franklin, Americký polymath a zakladatel, poprvé použil termín „baterie“ k popisu sady propojených kondenzátorů, které použil pro své experimenty s elektřinou. Tyto kondenzátory byly panely ze skla potažené kovem na každém povrchu. Tyto kondenzátory byly nabity statickým generátorem a vybity dotykem kovu na jejich elektrodu. Jejich propojení v „baterii“ dalo silnější výboj. Původně měl obecný význam „skupina dvou nebo více podobných objektů fungujících společně“, jako v dělostřelecké baterii, termín se začal používat pro voltaické piloty a podobná zařízení, ve kterých bylo mnoho elektrochemických článků spojeno dohromady způsobem Franklinových kondenzátorů. Dnes se dokonce i jeden elektrochemický článek, alias suchý článek, běžně nazývá baterie.
vynález
Luigi Galvani byl italský lékař, fyzik, biolog a filozof, který objevil živočišnou elektřinu. V roce 1780 on a jeho manželka Lucia zjistili, že svaly nohou mrtvých žab se škubly, když byly zasaženy elektrickou jiskrou. Galvani věřil, že energie, která řídila tuto kontrakci, pochází ze samotné nohy. Pojmenoval „živočišnou elektřinu“, když byly dva různé kovy spojeny v sérii s žabí nohou a navzájem.
Alessandro Volta – italský fyzik a chemik-přítel a kolega vědec Luigi Galvani však nesouhlasil, protože věřil, že tento jev byl způsoben dvěma různými kovy spojenými vlhkým prostředníkem. Tuto hypotézu ověřil experimentem a výsledky publikoval v roce 1791. V roce 1800 vynalezl Volta první skutečnou baterii, která se stala známou jako voltaická hromada. Voltaická hromada se skládala z párů měděných a zinkových disků nahromaděných na sobě, oddělených vrstvou látky nebo lepenky namočené ve slaném nálevu(tj. Na rozdíl od Leyden jar, voltaická hromada produkovala nepřetržitou elektřinu a stabilní proud, a ztratil malý náboj v průběhu času, když se nepoužíval, ačkoli jeho rané modely nemohly produkovat napětí dostatečně silné, aby produkovaly jiskry. Experimentoval s různými kovy a zjistil, že zinek a stříbro přinesly nejlepší výsledky.
Volta věřila, že proud je výsledkem dvou různých materiálů, které se navzájem jednoduše dotýkají-zastaralé vědecké teorie známé jako kontaktní napětí—a nikoli výsledkem chemických reakcí. V důsledku toho považoval korozi zinkových desek za nesouvisející vadu, kterou by bylo možné nějakým způsobem opravit změnou materiálů. Žádný vědec však nikdy nedokázal zabránit této korozi. Ve skutečnosti bylo pozorováno, že koroze byla rychlejší, když byl odebrán vyšší proud. To naznačuje, že koroze byla ve skutečnosti nedílnou součástí schopnosti baterie produkovat proud. To částečně vedlo k odmítnutí Voltovy teorie kontaktního napětí ve prospěch elektrochemické teorie.
původní modely volty měly některé technické nedostatky, z nichž jedna zahrnovala únik elektrolytu a způsobení zkratu v důsledku hmotnosti disků stlačujících látku namočenou ve slaném nálevu. William Cruickshank, skotský vojenský chirurg a chemik, vyřešil tento problém položením prvků do krabice místo toho, aby je hromadil do stohu. Toto bylo známé jako žlabová baterie. Volta sám vynalezl variantu, která sestávala z řetězce šálků naplněných solným roztokem, Spojených kovovými oblouky ponořenými do kapaliny. Toto bylo známé jako koruna pohárů. Tyto oblouky byly vyrobeny ze dvou různých kovů (např. Tento model se také ukázal být účinnější než jeho původní piloty, i když se neukázal jako populární.
dalším problémem s voltovými bateriemi byla krátká životnost baterie (v nejlepším případě za hodinu), která byla způsobena dvěma jevy. První bylo, že vyrobený proud elektrolyzoval roztok elektrolytu, což vedlo k vytvoření filmu vodíkových bublin na mědi, který neustále zvyšoval vnitřní odpor baterie (tento účinek, nazývaný polarizace, je v moderních buňkách potlačován dalšími opatřeními). Druhým byl jev zvaný místní akce, kde by se kolem nečistot v zinku vytvořily minutové zkraty, způsobující degradaci zinku. Druhý problém byl vyřešen v roce 1835 anglickým vynálezcem Williamem Sturgeonem, který zjistil, že sloučený zinek, jehož povrch byl ošetřen nějakou rtutí, netrpěl místní činností.
navzdory svým nedostatkům poskytují baterie volty stabilnější proud než leydenovy sklenice a umožnily mnoho nových experimentů a objevů, jako je první elektrolýza vody anglickým chirurgem Anthonym Carlislem a anglickým chemikem Williamem Nicholsonem.
první praktické baterie
Daniell cell
anglický profesor chemie jménem John Frederic Daniell našel způsob, jak vyřešit problém vodíkové bubliny ve Voltaické hromadě pomocí druhého elektrolytu ke spotřebě vodíku produkovaného prvním. V roce 1836 vynalezl Daniellovu buňku, která se skládá z měděné nádoby naplněné roztokem síranu měďnatého, ve které je ponořena Neglazovaná hliněná nádoba naplněná kyselinou sírovou a zinkovou elektrodou. Kameninová bariéra je porézní, což umožňuje průchod iontů, ale udržuje roztoky v míchání.
Daniellův článek byl velkým zlepšením oproti stávající technologii používané v počátcích vývoje baterií a byl prvním praktickým zdrojem elektřiny. Poskytuje delší a spolehlivější proud než Voltaický článek. Je také bezpečnější a méně korozivní. Má provozní napětí zhruba 1,1 voltu. Brzy se stal průmyslovým standardem pro použití, zejména s novými telegrafními sítěmi.
Daniellova buňka byla také použita jako první pracovní standard pro definici voltu, což je jednotka elektromotorické síly.
ptačí buňka
verze Daniellovy buňky byla vynalezena v roce 1837 Chlapovým nemocničním lékařem Goldingem Birdem, který použil omítku Pařížské bariéry k udržení roztoků odděleně. Ptačí experimenty s touto buňkou měly určitý význam pro novou disciplínu elektrometalurgie.
porézní pot cell
porézní pot verze Daniell cell byla vynalezena Johnem Dancerem, výrobcem nástrojů v Liverpoolu, v roce 1838. Skládá se z centrální zinkové anody ponořené do porézní hliněné nádoby obsahující roztok síranu zinečnatého. Porézní nádoba je zase ponořena do roztoku síranu měďnatého obsaženého v měděné nádobě, která působí jako katoda buňky. Použití porézní bariéry umožňuje průchod iontů, ale udržuje roztoky v míchání.
gravitační buňka
v roce 1860 vynalezl Francouz jménem Callaud variantu Daniellovy buňky zvané gravitační buňka. Tato jednodušší verze se zbavila porézní bariéry. Tím se snižuje vnitřní odpor systému a baterie tak poskytuje silnější proud. Rychle se stala baterií volby pro americké a Britské telegrafní sítě a byla široce používána až do roku 1950.
gravitační článek se skládá ze skleněné nádoby, ve které na dně sedí měděná katoda a pod okrajem je zavěšena zinková anoda. Krystaly síranu měďnatého se rozptýlí kolem katody a poté se nádoba naplní destilovanou vodou. Při odběru proudu se v horní části kolem anody vytvoří vrstva roztoku síranu zinečnatého. Tato horní vrstva je udržována odděleně od spodní vrstvy síranu měďnatého svou nižší hustotou a polaritou buňky.
vrstva síranu zinečnatého je na rozdíl od tmavě modré vrstvy síranu měďnatého čirá, což umožňuje technikovi měřit životnost baterie pohledem. Na druhou stranu toto nastavení znamená, že baterii lze použít pouze ve stacionárním zařízení, jinak se roztoky mísí nebo rozlévají. Další nevýhodou je, že proud musí být neustále čerpán, aby se zabránilo míchání obou roztoků difúzí, takže je nevhodný pro přerušované použití.
poggendorffova buňka
německý vědec Johann Christian Poggendorff překonal problémy s oddělením elektrolytu a depolarizéru pomocí porézního kameninového hrnce v roce 1842. V poggendorffově buňce, někdy nazývané Grenetova buňka kvůli pracím Eugena Greneta kolem roku 1859, je elektrolyt zředěnou kyselinou sírovou a depolarizátorem kyselina chromová. Obě kyseliny jsou fyzicky smíchány dohromady, což eliminuje porézní nádobu. Kladná elektroda (katoda) jsou dvě uhlíkové desky, mezi nimiž je umístěna zinková deska (záporná nebo anoda). Vzhledem k tendenci kyselé směsi reagovat se zinkem je vytvořen mechanismus pro zvýšení zinkové elektrody zbavené kyselin.
buňka poskytuje 1,9 voltů. To se ukázalo populární u experimentátorů po mnoho let kvůli jeho relativně vysokému napětí; větší schopnost produkovat konzistentní proud a nedostatek výparů, ale relativní křehkost jeho tenkého skleněného krytu a nutnost zvedat zinkovou desku, když se buňka nepoužívá, nakonec viděla, že vypadla z laskavosti. Buňka byla také známá jako „buňka kyseliny chromové“, ale hlavně jako „bichromátová buňka“. Tento druhý název pochází z praxe výroby kyseliny chromové přidáním kyseliny sírové do dichromanu draselného, i když samotná buňka neobsahuje žádný dichroman.
plnější buňka byla vyvinuta z buňky Poggendorff. Ačkoli je chemie v zásadě stejná, obě kyseliny jsou opět odděleny porézní nádobou a zinek je ošetřen rtutí za vzniku amalgámu.
Grove cell
Grove cell vynalezl Velšan William Robert Grove v roce 1839. Skládá se ze zinkové anody namočené v kyselině sírové a platinové katody namočené v kyselině dusičné, oddělené porézní kameninou. Groveova buňka poskytuje vysoký proud a téměř dvojnásobek napětí Daniellovy buňky, což z ní na čas učinilo oblíbenou buňku amerických telegrafních sítí. Při provozu však vydává jedovaté výpary oxidu dusnatého. Napětí také prudce klesá, jak se náboj snižuje, což se stalo přítěží, protože telegrafní sítě rostly složitěji. Platina byla a stále je velmi drahá.
dobíjecí baterie a suché články
olověná kyselina
až do tohoto okamžiku by všechny stávající baterie byly trvale vyčerpány, když byly vyčerpány všechny jejich chemické reakce. V roce 1859 vynalezl Gaston Planté olověnou baterii, vůbec první baterii, kterou bylo možné dobít průchodem zpětného proudu. Buňka olověné kyseliny se skládá z olověné anody a katody oxidu olovnatého ponořené do kyseliny sírové. Obě elektrody reagují s kyselinou za vzniku síranu olovnatého, ale reakce na olověné anodě uvolňuje elektrony, zatímco reakce na oxid olovnatý je spotřebovává, čímž vzniká proud. Tyto chemické reakce lze zvrátit průchodem zpětného proudu přes baterii, čímž se dobije.
Plantého první model sestával ze dvou olověných plechů oddělených gumovými pásy a válcovaných do spirály. Jeho baterie byly poprvé použity k napájení světel ve vlakových vagonech, když se zastavily na stanici. V roce 1881 Camille Alphonse Faure vynalezl vylepšenou verzi, která se skládá z mřížky olova, do které je přitlačena pasta z oxidu olova, tvořící desku. Pro větší výkon lze skládat více desek. Tento design je jednodušší hromadně vyrábět.
ve srovnání s jinými bateriemi je Planté poměrně těžký a objemný na množství energie, kterou může pojmout. Může však produkovat pozoruhodně velké proudy v rázech. Má také velmi nízký vnitřní odpor, což znamená, že jedna baterie může být použita k napájení více obvodů.
olověná baterie se dodnes používá v automobilech a dalších aplikacích, kde hmotnost není velkým faktorem. Základní princip se od roku 1859 nezměnil. V časných 1930s, gel elektrolyt (místo kapaliny) produkovaný přidáním oxidu křemičitého do nabitého článku byl použit v LT baterii přenosných vakuových trubicových rádií. V 70. letech se“ uzavřené „verze staly běžnými (běžně známými jako „gelová buňka“ nebo „SLA“), což umožnilo použití baterie v různých polohách bez poruchy nebo úniku.
dnes jsou buňky klasifikovány jako „primární“, pokud produkují proud pouze do vyčerpání jejich chemických reaktantů, a“ sekundární“, pokud lze chemické reakce zvrátit dobíjením buňky. Olověná buňka byla první „sekundární“ buňkou.
leclanché buňka
v roce 1866 vynalezl Georges Leclanché baterii, která se skládá z anody zinku a katody oxidu manganičitého zabalené v porézním materiálu, namočeném v nádobě s roztokem chloridu amonného. Katoda oxidu manganičitého má do ní také trochu uhlíku, což zlepšuje vodivost a absorpci. Poskytovalo napětí 1,4 voltu. Tato buňka dosáhla velmi rychlého úspěchu v telegrafii, signalizaci a práci s elektrickým zvonkem.
forma suchých článků byla použita k napájení časných telefonů-obvykle z přilehlé dřevěné krabice připojené k bateriím, než telefony mohly čerpat energii ze samotné telefonní linky. Leclanché buňka nemůže poskytnout trvalý proud po velmi dlouhou dobu. V dlouhých rozhovorech, baterie by se vybila, vykreslení konverzace neslyšitelné. Je to proto, že určité chemické reakce v buňce zvyšují vnitřní odpor a tím snižují napětí. Tyto reakce se obrátí, když je baterie ponechána nečinná, takže je vhodná pouze pro přerušované použití.
zinko-uhlíková buňka, první suchá buňka
mnoho experimentátorů se pokusilo imobilizovat elektrolyt elektrochemického článku, aby bylo pohodlnější použití. Hromada Zamboni z roku 1812 je vysokonapěťová suchá baterie, ale schopná dodávat pouze minutové proudy. Byly provedeny různé experimenty s celulózou, pilinami, spředeným sklem, azbestovými vlákny a želatinou.
v roce 1886 získal Carl Gassner německý patent na variantu buňky Leclanché, která se stala známou jako suchá buňka, protože nemá volný kapalný elektrolyt. Místo toho se chlorid amonný smíchá s omítkou z Paříže, aby se vytvořila pasta, s malým množstvím chloridu zinečnatého přidaného pro prodloužení trvanlivosti. Katoda oxidu manganičitého je ponořena do této pasty a obě jsou utěsněny zinkovým pláštěm, který také působí jako anoda. V listopadu 1887 získal na stejné zařízení americký Patent 373 064.
na rozdíl od předchozích mokrých buněk je gassnerova suchá buňka pevnější, nevyžaduje údržbu, nevylévá a může být použita v jakékoli orientaci. Poskytuje potenciál 1,5 voltu. Prvním sériově vyráběným modelem byl Columbia dry cell, poprvé uvedený na trh National Carbon Company v roce 1896. NCC vylepšil gassnerův model nahrazením pařížské omítky stočenou lepenkou, což je inovace, která ponechala více prostoru pro katodu a usnadnila montáž baterie. Byla to první pohodlná baterie pro masy a vyrobila přenosná elektrická zařízení praktická a vedla přímo k vynálezu baterky.
paralelně v roce 1887 Wilhelm Hellesen vyvinul svůj vlastní design suchých buněk. Tvrdí se, že Hellesenův návrh předcházel gassnerovi.
v roce 1887 vyvinul Yai Sakizō z Japonska suchou baterii, poté patentovanou v roce 1892. V roce 1893 byla suchá baterie Yai Sakizō vystavena ve světové Kolumbijské expozici a získala značnou mezinárodní pozornost.
NiCd, první alkalická baterie
v roce 1899 vynalezl švédský vědec Waldemar Jungner nikl-kadmiovou baterii, dobíjecí baterii, která má niklové a kadmiové elektrody v roztoku hydroxidu draselného; první baterie, která používá alkalický elektrolyt. To bylo komercializováno ve Švédsku v roce 1910 a dosáhl Spojených států v roce 1946. První modely byly robustní a měly výrazně lepší hustotu energie než olověné baterie, ale byly mnohem dražší.
20. století: nové technologie a všudypřítomnost
nikl-železo
nikl-železné baterie vyrobené v letech 1972 až 1975 pod značkou „Exide“, původně vyvinuté v roce 1901 Thomasem Edisonem.
Waldemar Jungner patentoval nikl-železnou baterii v roce 1899, ve stejném roce jako jeho patent na ni-Cad baterii, ale zjistil, že je nižší než její kadmium protějšek, a v důsledku toho se nikdy neobtěžoval jeho vývojem. Při nabíjení produkoval mnohem více plynného vodíku, což znamená, že nemohl být utěsněn, a proces nabíjení byl méně účinný (byl však levnější).
Thomas Edison, který viděl způsob, jak dosáhnout zisku na již konkurenčním trhu s olověnými bateriemi, pracoval v 90. letech 20. století na vývoji alkalické baterie, na kterou by mohl získat patent. Edison si myslel, že pokud bude vyrábět lehké a odolné bateriové elektromobily, stane se standardem, s jeho firmou jako hlavním dodavatelem baterií. Po mnoha experimentech a pravděpodobně půjčování z Jungnerova designu patentoval v roce 1901 alkalickou nikl-železnou baterii. Zákazníci však zjistili, že jeho první model alkalické nikl-železné baterie je náchylný k úniku, což vede ke krátké životnosti baterie, a ani olověný článek příliš nepřekonal. Ačkoli Edison byl schopen vyrobit spolehlivější a výkonnější model o sedm let později, do této doby levný a spolehlivý model T Ford učinil benzínové motory standardem. Edisonova baterie však dosáhla velkého úspěchu v jiných aplikacích, jako jsou elektrická a dieselová elektrická kolejová vozidla, poskytující záložní energii pro signály železničních přejezdů nebo pro napájení lamp používaných v dolech.
běžné alkalické baterie
až do konce padesátých let byla zinko-uhlíková baterie nadále populární primární baterií, ale její relativně nízká životnost baterie bránila prodeji. V roce 1955 byl inženýr jménem Lewis Urry, pracující pro Union Carbide v National Carbon Company Parma Research Laboratory, pověřen hledáním způsobu, jak prodloužit životnost zinko-uhlíkových baterií, ale Urry se místo toho rozhodl, že alkalické baterie mají větší příslib. Do té doby byly alkalické baterie s delší životností neproveditelně drahé. Urryho baterie se skládá z katody oxidu manganičitého a práškové zinkové anody s alkalickým elektrolytem. Použití práškového zinku dává anodě větší plochu povrchu. Tyto baterie byly uvedeny na trh v roce 1959.
nikl-vodík a nikl-metal-hydrid
nikl-vodíková baterie vstoupila na trh jako subsystém skladování energie pro komerční komunikační satelity.
první spotřebitelské nikl–metalhydridové baterie (NiMH)pro menší aplikace se objevily na trhu v roce 1989 jako variace nikl-vodíkové baterie 1970. NiMH baterie mají tendenci mít delší životnost než NiCd baterie (a jejich životnost se stále zvyšuje, jak výrobci experimentují s novými slitinami), a protože kadmium je toxické, NiMH baterie jsou méně škodlivé pro životní prostředí.
lithiové a lithium-iontové baterie
Lithium je kov s nejnižší hustotou as největším elektrochemickým potenciálem a poměrem energie k hmotnosti. Nízká atomová hmotnost a malá velikost jejích iontů také urychluje její difúzi, což naznačuje, že by to byl ideální materiál pro baterie.Experimentování s lithiovými bateriemi začalo v roce 1912 pod g. n. Lewisem, ale komerční lithiové baterie se dostaly na trh až v roce 1970. tři voltové lithiové primární články, jako je typ CR123A a tři voltové knoflíkové články, jsou stále široce používány, zejména v kamerách a velmi malých zařízeních.
v 80. letech došlo ke třem důležitým vývojům ohledně lithiových baterií. v roce 1980 americký chemik John B. Goodenough objevil katodu LiCoO2 (pozitivní olovo) a Marocký výzkumný vědec Rachid Yazami objevil grafitovou anodu (negativní olovo) s pevným elektrolytem. V roce 1981 japonští chemici Tokio Yamabe a Shizukuni Yata objevili nový nano-karbonacious-PAS (polyacen) a zjistili, že je velmi účinný pro anodu v konvenčním kapalném elektrolytu. To vedlo výzkumný tým řízený Akirou Yoshino z Asahi Chemical v Japonsku k vybudování prvního prototypu lithium-iontové baterie v roce 1985, dobíjecí a stabilnější verze lithiové baterie; Sony komercializovala lithium-iontovou baterii v roce 1991.
v roce 1997 byla lithium-polymerová baterie propuštěna společnostmi Sony a Asahi Kasei. Tyto baterie drží svůj elektrolyt v pevném polymerním kompozitu místo v kapalném rozpouštědle a elektrody a separátory jsou navzájem laminovány. Posledně uvedený rozdíl umožňuje, aby byla baterie uzavřena v pružném obalu místo v pevném kovovém pouzdře, což znamená, že takové baterie mohou být specificky tvarovány tak, aby se vešly na konkrétní zařízení. Tato výhoda upřednostňovala lithium-polymerové baterie při navrhování přenosných elektronických zařízení, jako jsou mobilní telefony a osobní digitální asistenti, a rádiem řízených letadel, protože takové baterie umožňují flexibilnější a kompaktnější design. Obecně mají nižší hustotu energie než normální lithium-iontové baterie.
v roce 2019 získali John B. Goodenough, m. Stanley Whittingham a Akira Yoshino Nobelovu cenu za chemii 2019 za vývoj lithium-iontových baterií.