eksperimenter
i 1749 brugte Benjamin Franklin, Den amerikanske polymath og grundlægger, først udtrykket “batteri” til at beskrive et sæt sammenkædede kondensatorer, han brugte til sine eksperimenter med elektricitet. Disse kondensatorer var paneler af glas belagt med metal på hver overflade. Disse kondensatorer blev ladet med en statisk generator og afladet ved at røre metal til deres elektrode. At forbinde dem sammen i et “batteri” gav en stærkere udladning. Oprindeligt med den generiske Betydning af “en gruppe på to eller flere lignende objekter, der fungerer sammen”, som i et artilleribatteri, kom udtrykket til at blive brugt til voltaiske bunker og lignende enheder, hvor mange elektrokemiske celler blev forbundet sammen på samme måde som Franklins kondensatorer. I dag kaldes selv en enkelt elektrokemisk celle, også en tørcelle, almindeligvis et batteri.
opfindelse
Luigi Galvani var en italiensk læge, fysiker, biolog og filosof, der opdagede animalsk elektricitet. I 1780 opdagede han og hans kone Lucia, at musklerne i døde frøer’ ben rykkede, da de blev ramt af en elektrisk gnist. Galvani troede, at energien, der kørte denne sammentrækning, kom fra selve benet. Han kaldte “animal electricity”, da to forskellige metaller blev forbundet i serie med et frøben og til hinanden.
Alessandro Volta – den italienske fysiker og kemiker – en ven og medforsker af Luigi Galvani, var imidlertid uenig og troede, at dette fænomen var forårsaget af to forskellige metaller, der blev sammenføjet af en fugtig mellemmand. Han bekræftede denne hypotese gennem eksperiment og offentliggjorde resultaterne i 1791. I 1800 opfandt Volta det første ægte batteri, der blev kendt som voltaic pile. Den voltaiske bunke bestod af par kobber-og sinkskiver stablet oven på hinanden, adskilt af et lag klud eller pap gennemblødt i saltlage (dvs.elektrolytten). I modsætning til Leyden-krukken producerede den voltaiske bunke en kontinuerlig elektricitet og stabil strøm og mistede lidt ladning over tid, når den ikke var i brug, skønt hans tidlige modeller ikke kunne producere en spænding, der var stærk nok til at producere gnister. Han eksperimenterede med forskellige metaller og fandt ud af, at sølv og sølv gav de bedste resultater.
Volta mente, at strømmen var resultatet af to forskellige materialer, der blot rørte ved hinanden—en forældet videnskabelig teori kendt som kontaktspænding-og ikke resultatet af kemiske reaktioner. Som følge heraf betragtede han korrosionspladerne som en uafhængig fejl, der måske kunne løses ved at ændre materialerne på en eller anden måde. Imidlertid lykkedes ingen videnskabsmand nogensinde at forhindre denne korrosion. Faktisk blev det observeret, at korrosionen var hurtigere, når en højere strøm blev trukket. Dette antydede, at korrosionen faktisk var integreret i batteriets evne til at producere en strøm. Dette førte til dels til afvisning af Voltas kontaktspændingsteori til fordel for elektrokemisk teori.
Voltas originale bunkemodeller havde nogle tekniske fejl, hvoraf den ene involverede elektrolytlækage og forårsagede kortslutninger på grund af vægten af skiverne, der komprimerer den saltvandsvævede klud. Vilhelm Cruickshank, en skotsk militærkirurg og kemiker, løste dette problem ved at lægge elementerne i en kasse i stedet for at stable dem i en stak. Dette blev kendt som trug batteri. Volta selv opfandt en variant, der bestod af en kæde af kopper fyldt med en saltopløsning, bundet sammen af metalliske buer dyppet i væsken. Dette blev kendt som kronen af kopper. Disse buer var lavet af to forskellige metaller (f.eks. Denne model viste sig også at være mere effektiv end hans originale bunker, skønt den ikke viste sig at være så populær.
et andet problem med Voltas batterier var kort batterilevetid (en times værdi i bedste fald), som var forårsaget af to fænomener. Den første var, at den producerede strøm elektrolyserede elektrolytopløsningen, hvilket resulterede i en film af hydrogenbobler, der dannede sig på kobberet, hvilket støt øgede batteriets indre modstand (denne effekt, kaldet polarisering, modvirkes i moderne celler ved yderligere foranstaltninger). Den anden var et fænomen kaldet lokal handling, hvor små kortslutninger ville danne sig omkring urenheder i sinken, hvilket fik sinken til at nedbrydes. Sidstnævnte problem blev løst i 1835 af den engelske opfinder Vilhelm Sturgeon, der fandt ud af, at sammensmeltet sink, hvis overflade var blevet behandlet med noget kviksølv, ikke led af lokal handling.
på trods af sine mangler giver Voltas batterier en mere stabil strøm end Leyden-krukker og muliggjorde mange nye eksperimenter og opdagelser, såsom den første elektrolyse af vand af den engelske kirurg Anthony Carlisle og den engelske kemiker Vilhelm Nicholson.
første praktiske batterier
Daniell cell
en engelsk professor i kemi ved navn John Frederic Daniell fandt en måde at løse brintbobleproblemet i Voltaisk bunke ved hjælp af en anden elektrolyt til at forbruge brintet produceret af den første. I 1836 opfandt han Daniell-cellen, som består af en kobberpotte fyldt med en kobbersulfatopløsning, hvori der nedsænkes en uglaseret fajancebeholder fyldt med svovlsyre og en sincelektrode. Fajancebarrieren er porøs, hvilket tillader ioner at passere igennem, men forhindrer opløsningerne i at blande sig.
Daniell-cellen var en stor forbedring i forhold til den eksisterende teknologi, der blev brugt i de tidlige dage af batteriudviklingen, og var den første praktiske kilde til elektricitet. Det giver en længere og mere pålidelig strøm end den voltaiske celle. Det er også sikrere og mindre ætsende. Den har en driftsspænding på cirka 1,1 volt. Det blev snart industristandarden til brug, især med de nye telegrafnetværk.
Daniell-cellen blev også brugt som den første arbejdsstandard til definition af volt, som er enheden for elektromotorisk kraft.
Fuglecelle
en version af Daniell-cellen blev opfundet i 1837 af fyrens hospitalslæge Golding Bird, der brugte en gips af Paris-barriere for at holde løsningerne adskilt. Fuglens eksperimenter med denne celle var af en vis betydning for den nye disciplin inden for elektrometallurgi.
porøs potcelle
den porøse potversion af Daniell-cellen blev opfundet af John Dancer, en Liverpool-instrumentproducent, i 1838. Den består af en central sinc anode dyppet i en porøs fajance pot indeholdende en sinc sulfat opløsning. Den porøse gryde nedsænkes igen i en opløsning af kobbersulfat indeholdt i en kobberbeholder, der fungerer som cellens katode. Anvendelsen af en porøs barriere tillader ioner at passere igennem, men forhindrer opløsningerne i at blande sig.
Gravity cell
i 1860 ‘ erne opfandt en franskmand ved navn Callaud en variant af Daniell-cellen kaldet gravity cell. Denne enklere version dispenseret med den porøse barriere. Dette reducerer systemets indre modstand, og batteriet giver således en stærkere strøm. Det blev hurtigt det valgte batteri til de amerikanske og britiske telegrafnetværk og blev meget brugt indtil 1950 ‘ erne.
tyngdecellen består af en glasburk, hvor en kobberkatode sidder på bunden og en sinc-anode er ophængt under fælgen. Kobbersulfatkrystaller spredes rundt om katoden, og derefter fyldes krukken med destilleret vand. Når strømmen trækkes, dannes et lag af sinksulfatopløsning øverst omkring anoden. Dette øverste lag holdes adskilt fra det nederste kobbersulfatlag ved dets lavere densitet og ved polariteten af cellen.
sulfatlaget er klart i modsætning til det dybe blå kobbersulfatlag, som gør det muligt for en tekniker at måle batteriets levetid Med et blik. På den anden side betyder denne opsætning, at batteriet kun kan bruges i et stationært apparat, ellers blandes eller spildes løsningerne. En anden ulempe er, at der løbende skal trækkes en strøm for at forhindre, at de to opløsninger blandes ved diffusion, så den er uegnet til intermitterende brug.
Poggendorff cell
den tyske videnskabsmand Johann Christian Poggendorff overvandt problemerne med at adskille elektrolytten og depolarisatoren ved hjælp af en porøs fajance pot i 1842. I Poggendorff-cellen, undertiden kaldet Grenet-celle på grund af Eugene Grenets værker omkring 1859, er elektrolytten fortyndet svovlsyre, og depolarisatoren er kromsyre. De to syrer blandes fysisk sammen, hvilket eliminerer den porøse gryde. Den positive elektrode (katode) er to carbonplader, med en sinc plade (negativ eller anode) placeret mellem dem. På grund af syreblandingens tendens til at reagere med sinc, er der tilvejebragt en mekanisme til at hæve sincelektroden fri for syrerne.
cellen giver 1,9 volt. Det viste sig at være populært blandt eksperimenter i mange år på grund af dets relativt høje spænding; større evne til at producere en ensartet strøm og mangel på dampe, men den relative skrøbelighed i dets tynde glaskabinet og nødvendigheden af at skulle hæve sinc-pladen, når cellen ikke er i brug, så det til sidst falde ud af favør. Cellen var også kendt som’ kromsyrecellen’, men hovedsageligt som’bichromatcellen’. Sidstnævnte navn kom fra praksis med at producere kromsyren ved at tilsætte svovlsyre til kaliumdichromat, selvom selve cellen ikke indeholder noget dichromat.
Fuller-cellen blev udviklet fra Poggendorff-cellen. Selvom kemien hovedsageligt er den samme, adskilles de to syrer igen af en porøs beholder, og sinket behandles med kviksølv for at danne et amalgam.
Grove cell
Grove cell blev opfundet af Robert Grove i 1839. Den består af en anode dyppet i svovlsyre og en platinkatode dyppet i salpetersyre, adskilt af porøs fajance. Grove-cellen giver en høj strøm og næsten dobbelt så stor spænding som Daniell-cellen, hvilket gjorde den til den foretrukne celle i de amerikanske telegrafnetværk i et stykke tid. Det afgiver imidlertid giftige salpetersyre, når det betjenes. Spændingen falder også kraftigt, da ladningen mindskes, hvilket blev et ansvar, da telegrafnetværk blev mere komplekse. Platinum var og er stadig meget dyrt.
genopladelige batterier og tørceller
blysyre
indtil dette tidspunkt ville alle eksisterende batterier blive drænet permanent, når alle deres kemiske reaktioner blev brugt. I 1859 opfandt Gaston Plant Karin blybatteriet, det første batteri nogensinde, der kunne genoplades ved at føre en omvendt strøm gennem det. En bly-syre-celle består af en blyanode og en bly-katode nedsænket i svovlsyre. Begge elektroder reagerer med syren for at producere blysulfat, men reaktionen ved blyanoden frigiver elektroner, mens reaktionen ved blydioksen forbruger dem og producerer således en strøm. Disse kemiske reaktioner kan vendes ved at føre en omvendt strøm gennem batteriet og derved genoplade det.
Plant kits første model bestod af to blyplader adskilt af gummistrimler og rullet ind i en spiral. Hans batterier blev først brugt til at tænde lysene i togvogne, mens de stoppede ved en station. I 1881 opfandt Camille Alphonse Faure en forbedret version, der består af et blygittergitter, hvori der presses en blygitterpasta, der danner en plade. Flere plader kan stables for større ydeevne. Dette design er lettere at masseproducere.
i forhold til andre batterier er plant kits temmelig tung og omfangsrig for den mængde energi, den kan rumme. Det kan dog producere bemærkelsesværdigt store strømme i stigninger. Det har også meget lav intern modstand, hvilket betyder, at et enkelt batteri kan bruges til at drive flere kredsløb.
blybatteriet bruges stadig i dag i biler og andre applikationer, hvor vægt ikke er en stor faktor. Grundprincippet har ikke ændret sig siden 1859. I begyndelsen af 1930 ‘ erne blev en gelelektrolyt (i stedet for en væske) produceret ved tilsætning af silica til en ladet celle brugt i LT batteri af bærbare vakuumrørradioer. I 1970 ‘erne blev” forseglede “versioner almindelige (almindeligvis kendt som en” gelcelle “eller” SLA”), så batteriet kunne bruges i forskellige positioner uden fejl eller lækage.
i dag klassificeres celler som “primære”, hvis de kun producerer en strøm, indtil deres kemiske reaktanter er opbrugt, og “sekundære”, hvis de kemiske reaktioner kan vendes ved at genoplade cellen. Blysyrecellen var den første” sekundære ” celle.
leclanch-celle
i 1866 opfandt Georges Leclanch-celle et batteri, der består af en sinc-anode og en mangandioksekatode indpakket i et porøst materiale dyppet i en krukke ammoniumchloridopløsning. Mangankatoden har også lidt kulstof blandet ind i det, hvilket forbedrer ledningsevne og absorption. Det gav en spænding på 1,4 volt. Denne celle opnåede meget hurtig succes inden for telegrafi, signalering og elektrisk klokkearbejde.
tørcelleformen blev brugt til at drive tidlige telefoner—normalt fra en tilstødende trækasse fastgjort til at passe batterier, før telefoner kunne trække strøm fra selve telefonlinjen. Leclanchkrus-cellen kan ikke give en vedvarende strøm i meget lang tid. I lange samtaler ville batteriet løbe ned, hvilket gjorde samtalen uhørbar. Dette skyldes, at visse kemiske reaktioner i cellen øger den indre modstand og dermed sænker spændingen. Disse reaktioner vender sig selv, når batteriet er tomgang, så det er kun godt til intermitterende brug.
Sinc-carboncelle, den første tørcelle
mange eksperimenter forsøgte at immobilisere elektrolytten i en elektrokemisk celle for at gøre det mere praktisk at bruge. 1812 er et tørbatteri med høj spænding, men kan kun levere minutstrømme. Forskellige eksperimenter blev foretaget med cellulose, savsmuld, spundet glas, asbestfibre og gelatine.
i 1886 opnåede Carl Gassner et tysk patent på en variant af Leclanch-Kurscellen, som blev kendt som tørcellen, fordi den ikke har en fri flydende elektrolyt. I stedet blandes ammoniumchloridet med gips i Paris for at skabe en pasta med en lille mængde sincchlorid tilsat for at forlænge holdbarheden. I denne pasta dyppes mangandioksekatoden, og begge er forseglet i en skal, der også fungerer som anoden. I November 1887 opnåede han amerikansk Patent 373.064 for den samme enhed.
i modsætning til tidligere våde celler er Gassners tørcelle mere solid, kræver ikke vedligeholdelse, spilder ikke og kan bruges i enhver retning. Det giver et potentiale på 1,5 volt. Den første masseproducerede model var Columbia dry cell, der først blev markedsført af National Carbon Company i 1896. NCC forbedrede Gassners model ved at erstatte gipset i Paris med oprullet pap, en innovation, der efterlod mere plads til katoden og gjorde batteriet lettere at samle. Det var det første praktiske batteri til masserne og gjorde bærbare elektriske apparater praktiske og førte direkte til opfindelsen af lommelygten.
parallelt udviklede Vilhelm Hellesen i 1887 sit eget tørcelledesign. Det er blevet hævdet, at Hellesens design gik forud for Gassner.
i 1887 blev et tørbatteri udviklet af Yai Sakis i Japan, derefter patenteret i 1892. I 1893 blev Yai Sakis ‘ s tørbatteri udstillet i verdens colombianske udstilling og befalede betydelig international opmærksomhed.
NiCd, det første alkaliske batteri
i 1899 opfandt en svensk videnskabsmand Valdemar Jungner nikkel–cadmiumbatteriet, et genopladeligt batteri, der har nikkel-og cadmiumelektroder i en kaliumhydroksidopløsning; det første batteri, der bruger en alkalisk elektrolyt. Det blev kommercialiseret i Sverige i 1910 og nåede USA i 1946. De første modeller var robuste og havde betydeligt bedre energitæthed end blybatterier, men var meget dyrere.
20. århundrede: nye teknologier og allestedsnærværende
nikkel-jern
nikkel-jernbatterier fremstillet mellem 1972 og 1975 under mærket “Ekside”, oprindeligt udviklet i 1901 af Thomas Edison.
Valdemar Jungner patenterede et nikkeljernsbatteri i 1899, samme år som hans ni–Cad-batteripatent, men fandt det at være ringere end dets cadmium-modstykke og som en konsekvens aldrig generet at udvikle det. Det producerede meget mere brintgas, når det blev opladet, hvilket betyder, at det ikke kunne forsegles, og opladningsprocessen var mindre effektiv (det var dog billigere).
Thomas Edison arbejdede i 1890 ‘ erne på at udvikle et alkalisk baseret batteri, som han kunne få patent på. Edison troede, at hvis han producerede lette og holdbare batterier, ville elbiler blive standarden, med hans firma som hovedbatterileverandør. Efter mange eksperimenter og sandsynligvis lånt fra Jungners design patenterede han et alkalisk baseret nikkeljernbatteri i 1901. Imidlertid fandt kunderne, at hans første model af det alkaliske nikkel–jernbatteri var tilbøjelig til lækage, hvilket førte til kort batterilevetid, og det overgik heller ikke bly-syrecellen meget. Selvom Edison var i stand til at producere en mere pålidelig og kraftfuld model syv år senere, havde den billige og pålidelige model T Ford på dette tidspunkt gjort bensinmotorbiler til standarden. Ikke desto mindre opnåede Edisons batteri stor succes i andre applikationer såsom elektriske og dieselelektriske jernbanekøretøjer, der leverede backup-strøm til jernbaneovergangssignaler eller til at levere strøm til de lamper, der blev brugt i miner.
almindelige alkaliske batterier
indtil slutningen af 1950 ‘ erne fortsatte carbonbatteriet med at være et populært primærcellebatteri, men dets relativt lave batterilevetid hæmmede salget. I 1955 fik en ingeniør ved navn Urry, der arbejdede for Union Carbide ved National Carbon Company Parma Research Laboratory, til opgave at finde en måde at forlænge levetiden på carbonbatterier, men Urry besluttede i stedet, at alkaliske batterier holdt mere løfte. Indtil da var længerevarende alkaliske batterier umuligt dyre. Urrys batteri består af en mangandioksekatode og en pulveriseret sincanode med en alkalisk elektrolyt. Ved hjælp af pulveriseret sinc giver anoden et større overfladeareal. Disse batterier blev markedsført i 1959.
nikkel-hydrogen og nikkelmetalhydrid
nikkel-hydrogenbatteriet kom ind på markedet som et delsystem til energilagring til kommercielle kommunikationssatellitter.
de første nikkelmetalhydridbatterier (NiMH) til mindre applikationer optrådte på markedet i 1989 som en variation af 1970 ‘ ernes nikkel–brintbatteri. NiMH-batterier har en tendens til at have længere levetid end NiCd-batterier (og deres levetid fortsætter med at stige, når producenterne eksperimenterer med nye legeringer), og da cadmium er giftigt, er NiMH-batterier mindre skadelige for miljøet.
Lithium-og lithium-ion-batterier
Lithium er det metal med laveste densitet og med det største elektrokemiske potentiale og energi / vægt-forhold. Den lave atomvægt og den lille størrelse af dens ioner fremskynder også dens diffusion, hvilket antyder, at det ville være et ideelt materiale til batterier.Eksperimentering med lithiumbatterier begyndte i 1912 under G. N. Levis, men kommercielle lithiumbatterier kom først på markedet i 1970 ‘ erne. tre volt Lithium primære celler såsom CR123A type og tre volt knapceller bruges stadig i vid udstrækning, især i kameraer og meget små enheder.
tre vigtige udviklinger vedrørende lithiumbatterier opstod i 1980 ‘ erne. i 1980, en amerikansk kemiker, John B. Goodenough, opdagede LiCoO2 katoden (positiv bly) og en marokkansk forsker, Rachid Yasami, opdagede grafitanoden (negativ bly) med den faste elektrolyt. I 1981 opdagede japanske kemikere Tokio Yamabe og Shisukuni Yata en ny nano-carbonacious-PAS (polyacen) og fandt ud af, at den var meget effektiv for anoden i den konventionelle flydende elektrolyt. Dette førte til, at et forskerteam ledet af Akira Yoshino fra Asahi Chemical, Japan, byggede den første lithium-ion-batteriprototype i 1985, en genopladelig og mere stabil version af lithiumbatteriet; Sony kommercialiserede lithium-ion-batteriet i 1991.
i 1997 blev lithiumpolymerbatteriet frigivet af Sony og Asahi Kasei. Disse batterier holder deres elektrolyt i en fast polymerkomposit i stedet for i et flydende opløsningsmiddel, og elektroderne og separatorerne lamineres til hinanden. Sidstnævnte forskel gør det muligt at indkapsle batteriet i en fleksibel indpakning i stedet for i et stift metalhus, hvilket betyder, at sådanne batterier kan formes specifikt til at passe til en bestemt enhed. Denne fordel har favoriseret lithiumpolymerbatterier i designet af bærbare elektroniske enheder såsom mobiltelefoner og personlige digitale assistenter og af radiostyrede fly, da sådanne batterier giver mulighed for mere fleksibelt og kompakt design. De har generelt en lavere energitæthed end normale lithium-ion-batterier.
i 2019 blev John B. Goodenough, M. Stanley og Akira Yoshino tildelt Nobelprisen i kemi 2019 for deres udvikling af lithium-ion-batterier.