Experiments
1749-ben Benjamin Franklin, az amerikai polihisztor és alapító atyja először használta az “akkumulátor” kifejezést egy kapcsolt kondenzátorkészlet leírására, amelyet elektromos kísérleteihez használt. Ezek a kondenzátorok minden felületen fémmel bevont üvegpanelek voltak. Ezeket a kondenzátorokat statikus generátorral töltötték fel, és a fém elektródához való megérintésével ürítették ki. Az “akkumulátor” összekapcsolása erősebb kisülést eredményezett. Eredetileg a “két vagy több hasonló tárgy együtt működő csoportjának” általános jelentése volt, mint egy tüzérségi ütegben, ezt a kifejezést használták voltaic cölöpök és hasonló eszközök, amelyekben sok elektrokémiai cellát összekapcsoltak Franklin kondenzátorai. Ma még egyetlen elektrokémiai cellát, más néven egy száraz cellát általában akkumulátornak neveznek.
találmány
Luigi Galvani olasz orvos, fizikus, biológus és filozófus, aki felfedezte az állati elektromosságot. 1780-ban feleségével, Lucia-val felfedezték, hogy az elhalt békacombok izmai megrándultak, amikor elektromos szikra sújtotta őket. Galvani úgy vélte, hogy az összehúzódást okozó energia magából a lábból származik. “Állati elektromosságnak” nevezte, amikor két különböző fémet sorba kapcsoltak egy béka lábával és egymással.
azonban Alessandro Volta – az olasz fizikus és vegyész – Luigi Galvani barátja és tudóstársa nem értett egyet azzal, hogy a jelenséget két különböző fém okozta, amelyeket egy nedves közvetítő kötött össze. Ezt a hipotézist kísérletekkel igazolta, és az eredményeket 1791-ben publikálta. 1800-ban Volta feltalálta az első valódi akkumulátort, amelyet a voltaic halom. A voltaikus halom egymásra rakott réz – és cinkkorongpárokból állt, amelyeket sós lében áztatott szövet-vagy kartonréteg (azaz elektrolit) választott el egymástól. Ellentétben a Leyden jar, a voltaic halom termelt folyamatos villamos energia és a stabil áram, és elvesztette kis töltés idővel, amikor nem használják, bár a korai modellek nem tudott olyan feszültséget elég erős ahhoz, hogy szikra. Különböző fémekkel kísérletezett, és megállapította, hogy a cink és az ezüst adta a legjobb eredményt.
Volta úgy vélte, hogy az áram két különböző anyag egyszerűen egymáshoz érésének eredménye—elavult tudományos elmélet, amelyet érintkezési feszültségnek neveznek—és nem kémiai reakciók eredménye. Ennek következtében a cinklemezek korrózióját független hibának tekintette, amelyet talán az anyagok valamilyen megváltoztatásával lehet kijavítani. Azonban egyetlen tudósnak sem sikerült megakadályoznia ezt a korróziót. Valójában megfigyelték, hogy a korrózió gyorsabb volt, ha nagyobb áramot húztak. Ez arra utalt, hogy a korrózió valójában szerves része volt az akkumulátor áramtermelő képességének. Ez részben Volta kontakt feszültség elméletének elutasításához vezetett az elektrokémiai elmélet mellett.
a Volta eredeti cölöpmodelljein technikai hibák voltak, amelyek közül az egyik az elektrolit szivárgása volt, ami rövidzárlatot okozott a sóoldattal átitatott ruhát összenyomó korongok súlya miatt. William Cruickshank, egy skót katonai sebész és vegyész úgy oldotta meg ezt a problémát, hogy az elemeket egy dobozba helyezte, ahelyett, hogy egy halomba rakta volna őket. Ez volt az úgynevezett vályú akkumulátor. Volta maga is feltalált egy változatot, amely egy sóoldattal töltött csészék láncából állt, amelyet a folyadékba mártott fém ívek kapcsoltak össze. Ezt a csészék koronájaként ismerték. Ezek az ívek két különböző fémből (pl. cinkből és rézből) készültek. Ez a modell hatékonyabbnak bizonyult, mint az eredeti cölöpök, bár nem bizonyult olyan népszerűnek.
a Volta akkumulátorainak másik problémája a rövid akkumulátor-élettartam volt (legjobb esetben egy óra), amelyet két jelenség okozott. Az első az volt, hogy az előállított áram elektrolizálta az elektrolitoldatot, amelynek eredményeként a rézen hidrogénbuborékok képződnek, ami folyamatosan növelte az akkumulátor belső ellenállását (ezt a polarizációnak nevezett hatást a modern cellákban további intézkedésekkel ellensúlyozzák). A másik egy helyi akciónak nevezett jelenség volt, ahol perc rövidzárlat alakul ki a cink szennyeződései körül, ami a cink lebomlását okozza. Ez utóbbi problémát 1835-ben oldotta meg William Sturgeon angol feltaláló, aki megállapította, hogy az amalgámozott cink, amelynek felületét némi higannyal kezelték, nem szenved a helyi hatásoktól.
hibái ellenére a Volta akkumulátorai stabilabb áramot szolgáltatnak, mint a Leyden Üvegek, és számos új kísérletet és felfedezést tettek lehetővé, mint például Anthony Carlisle angol sebész és William Nicholson angol kémikus első víz elektrolízise.
első gyakorlati elemek
Daniell cell
John Frederic Daniell angol kémiai professzor megtalálta a módját, hogy megoldja a Hidrogénbuborék problémáját a Voltaic halomban, egy második elektrolit felhasználásával az első által termelt hidrogén fogyasztására. 1836-ban feltalálta a Daniell-cellát, amely egy réz-szulfát-oldattal töltött rézedényből áll, amelybe kénsavval és cinkelektródával töltött mázatlan cserépedényt merítenek. A fajansz gát porózus, amely lehetővé teszi az ionok áthaladását, de megakadályozza az oldatok keveredését.
a Daniell cella nagy előrelépést jelentett az akkumulátorfejlesztés korai napjaiban alkalmazott meglévő technológiához képest, és az első gyakorlati áramforrás volt. Hosszabb és megbízhatóbb áramot biztosít, mint a Voltaic cella. Biztonságosabb és kevésbé maró hatású. Működési feszültsége nagyjából 1,1 volt. Hamarosan ipari szabvány lett a használatra, különösen az új távíró hálózatokkal.
a Daniell cellát is használták az első munkaszabványként a volt meghatározására, amely az elektromotoros erő egysége.
Madársejt
a Daniell-sejt egy változatát 1837-ben találta fel a Guy kórházi orvosa, Golding Bird, aki a párizsi gát vakolatát használta a megoldások elkülönítésére. Bird kísérletei ezzel a cellával némi jelentőséggel bírtak az elektrometallurgia új tudományága szempontjából.
porózus edénycella
a Daniell-sejt porózus edényváltozatát John Dancer, a Liverpooli hangszergyártó találta fel 1838-ban. Ez egy cink-szulfát oldatot tartalmazó porózus cserépedénybe mártott központi cink-anódból áll. A porózus edényt viszont egy rézdobozban lévő réz-szulfát oldatába merítik, amely a sejt katódjaként működik. A porózus gát használata lehetővé teszi az ionok áthaladását, de megakadályozza az oldatok keveredését.
Gravity cell
az 1860-as években egy Callaud nevű francia feltalálta a Daniell-sejt gravitációs sejtnek nevezett változatát. Ez az egyszerűbb változat eltekintett a porózus gáttól. Ez csökkenti a rendszer belső ellenállását, így az akkumulátor erősebb áramot eredményez. Gyorsan az amerikai és brit távíró hálózatok választott elemévé vált, és az 1950-es évekig széles körben használták.
a gravitációs cella egy üvegedényből áll, amelyben egy réz katód ül az alján, és egy cink anód van felfüggesztve a perem alatt. A réz-szulfát kristályokat szétszórják a katód körül, majd az üveget desztillált vízzel töltik meg. Az áram húzásakor az anód körül egy réteg cink-szulfát-oldat képződik. Ezt a felső réteget az alsó réz-szulfát rétegtől az alacsonyabb sűrűsége és a sejt polaritása választja el.
a cink-szulfát réteg tiszta, ellentétben a mélykék réz-szulfát réteggel, amely lehetővé teszi a technikus számára, hogy egy pillantással mérje az akkumulátor élettartamát. Másrészt ez a beállítás azt jelenti, hogy az akkumulátor csak helyhez kötött készülékben használható, különben az oldatok keverednek vagy kiömlnek. További hátrány, hogy folyamatosan áramot kell húzni, hogy a két oldat diffúzióval ne keveredjen, ezért szakaszos használatra alkalmatlan.
Poggendorff cell
Johann Christian Poggendorff német tudós 1842-ben egy porózus cserépedény segítségével megoldotta az elektrolit és a depolarizáló elválasztásával kapcsolatos problémákat. A Poggendorff-sejtben, amelyet néha Grenet-sejtnek hívnak Eugene Grenet 1859 körüli munkái miatt, az elektrolit híg kénsav, a depolarizátor pedig krómsav. A két sav fizikailag összekeveredik, kiküszöbölve a porózus edényt. A pozitív elektróda (katód) két szénlemez, közöttük cinklemez (negatív vagy anód) helyezkedik el. Mivel a savkeverék hajlamos reagálni a cinkkel, olyan mechanizmus van kialakítva, amely a cinkelektródát a savaktól megtisztítja.
a cella 1,9 Voltot biztosít. Viszonylag magas feszültsége miatt sok éven át népszerűnek bizonyult a kísérletezők körében; nagyobb képesség a következetes áram előállítására és a füstök hiányára, de vékony üvegház viszonylagos törékenysége és annak szükségessége, hogy a cinklemezt fel kell emelni, amikor a cellát nem használják, végül azt látta, hogy nem részesül előnyben. A sejtet krómsav-sejtként is ismerték, de elsősorban ‘bikromát-sejtként’. Ez utóbbi név abból a gyakorlatból származik, hogy a krómsavat kénsav hozzáadásával kálium-dikromáthoz állítják elő, annak ellenére, hogy maga a sejt nem tartalmaz dikromátot.
a Fuller sejtet a Poggendorff sejtből fejlesztették ki. Bár a kémia alapvetően ugyanaz, a két savat ismét porózus tartály választja el egymástól, és a cinket higannyal kezelik, hogy amalgámot képezzenek.
Grove cell
a Grove cell-t a walesi William Robert Grove találta fel 1839-ben. Kénsavba mártott cink anódból és salétromsavba mártott platina katódból áll, porózus cserépedényekkel elválasztva. A Grove cella nagy áramot és majdnem kétszer akkora feszültséget biztosít, mint a Daniell cella, ami egy ideig az amerikai távíró hálózatok kedvelt cellájává tette. Működés közben azonban mérgező nitrogén-monoxid-füstöket bocsát ki. A feszültség a töltés csökkenésével is hirtelen csökken, ami felelősséggé vált, mivel a távíró hálózatok összetettebbé váltak. A platina nagyon drága volt és még mindig nagyon drága.
Újratölthető Akkumulátorok és szárazcellák
ólom-sav
eddig a pontig az összes létező elemet véglegesen lemerítették, amikor minden kémiai reakciójukat kimerítették. 1859-ben a Gaston Plant (Gaston Plant) feltalálta az ólom-sav akkumulátort, az első olyan akkumulátort, amelyet fordított áram áthaladásával lehetett újratölteni. Az ólom – sav cella egy ólom-anódból és egy kénsavba merített ólom-dioxid katódból áll. Mindkét elektróda reakcióba lép a savval, hogy ólom-szulfátot termeljen, de az ólom-anódnál a reakció elektronokat szabadít fel, míg az ólom-dioxidnál a reakció elfogyasztja őket, így áramot termel. Ezeket a kémiai reakciókat megfordíthatjuk, ha fordított áramot vezetünk át az akkumulátoron, ezáltal feltöltjük.
a plant 6 első modellje két ólomlemezből állt, amelyeket gumicsíkok választottak el egymástól, és spirálba tekertek. Akkumulátorait először a vonatkocsik lámpáinak táplálására használták, miközben megálltak egy állomáson. 1881-ben Camille Alphonse Faure feltalált egy továbbfejlesztett változatot, amely egy ólomrácsrácsból áll, amelybe ólom-oxid pasztát nyomnak, lemezt képezve. Több lemez egymásra rakható a nagyobb teljesítmény érdekében. Ez a kialakítás könnyebb tömegtermelésre.
a többi akkumulátorhoz képest a plant-ok meglehetősen nehézek és terjedelmesek ahhoz az energiamennyiséghez képest, amelyet el tudnak tartani. Ugyanakkor rendkívül nagy áramokat képes előidézni a túlfeszültségekben. Nagyon alacsony a belső ellenállása is, ami azt jelenti, hogy egyetlen akkumulátor használható több áramkör táplálására.
az ólom-sav akkumulátort még ma is használják autókban és más olyan alkalmazásokban, ahol a súly nem nagy tényező. Az alapelv 1859 óta nem változott. Az 1930-as évek elején a gél elektrolit (folyadék helyett) szilícium-dioxid hozzáadásával egy feltöltött cellához használták a hordozható vákuumcsöves rádiók LT akkumulátorában. Az 1970-es években a “lezárt” verziók elterjedtek (közismert nevén “gélcella” vagy “SLA”), lehetővé téve az akkumulátor különböző pozíciókban történő használatát meghibásodás vagy szivárgás nélkül.
ma a sejtek akkor minősülnek “elsődlegesnek”, ha csak addig termelnek áramot, amíg kémiai reagenseik kimerülnek, és” másodlagosnak”, ha a kémiai reakciók visszafordíthatók a sejt újratöltésével. Az ólom-sav sejt volt az első “másodlagos” sejt.
Leclanch OnCell
Georges Leclanch 1866-ban feltalált egy elemet, amely cink anódból és mangán-dioxid katódból áll, porózus anyagba csomagolva, ammónium-klorid-oldatba mártva. A mangán-dioxid katódban is van egy kis szén, ami javítja a vezetőképességet és az abszorpciót. Ez 1,4 volt feszültséget biztosított. Ez a sejt nagyon gyors sikert ért el a távíró, a jelző és az elektromos csengő munkájában.
a szárazcellás formát a korai telefonok táplálására használták-általában egy szomszédos fadobozból, amelyet az akkumulátorok felszerelésére rögzítettek, mielőtt a telefonok magából a telefonvonalból meríthetnének energiát. A Leclanch cella hosszú ideig nem képes tartós áramot biztosítani. Hosszú beszélgetések során az akkumulátor lemerült, hallhatatlanná téve a beszélgetést. Ennek oka az, hogy a sejt bizonyos kémiai reakciói növelik a belső ellenállást, így csökkentik a feszültséget. Ezek a reakciók megfordulnak, amikor az akkumulátor tétlen marad, ezért csak szakaszos használatra jó.
cink-szén cella, az első száraz cella
sok kísérletező megpróbálta immobilizálni az elektrokémiai cella elektrolitját, hogy kényelmesebbé tegye a használatát. Az 1812-es Zamboni-halom nagyfeszültségű száraz akkumulátor, de csak percáramok leadására képes. Különböző kísérleteket végeztek cellulózzal, fűrészporral, fonott üveggel, azbesztszálakkal és zselatinnal.
1886-ban Carl Gassner német szabadalmat kapott a Leclanch cella egyik változatára, amelyet száraz cellának neveztek, mert nem rendelkezik szabad folyékony elektrolittal. Ehelyett az ammónium-kloridot összekeverik párizsi vakolattal, hogy pasztát hozzanak létre, kis mennyiségű cink-kloridot adva az eltarthatóság meghosszabbításához. A mangán-dioxid katódot ebbe a pasztába mártjuk, és mindkettőt egy cinkhéjba zárjuk, amely anódként is működik. 1887 novemberében megszerezte az Egyesült Államok 373 064 szabadalmát ugyanarra az eszközre.
a korábbi nedves cellákkal ellentétben a Gassner száraz cellája szilárdabb, nem igényel karbantartást, nem szivárog, és bármilyen irányban használható. Ez 1,5 voltos potenciált biztosít. Az első sorozatgyártású modell a Columbia dry cell volt, amelyet először a National Carbon Company 1896-ban. Az NCC továbbfejlesztette Gassner modelljét azáltal, hogy a párizsi vakolatot tekercselt kartonra cserélte, ami több helyet hagyott a katód számára, és megkönnyítette az akkumulátor összeszerelését. Ez volt az első kényelmes akkumulátor a tömegek számára, és a hordozható elektromos eszközöket praktikussá tette, és közvetlenül a zseblámpa feltalálásához vezetett.
ezzel párhuzamosan 1887-ben Wilhelm Hellesen kifejlesztette saját szárazcellás kialakítását. Azt állították, hogy Hellesen terve megelőzte Gassner tervét.
1887-ben a japán Yai Sakiz által kifejlesztett száraz akkumulátor, majd 1892-ben szabadalmaztatta. 1893-ban Yai Sakiz Szárazelemét kiállították a kolumbiai Világkiállításon, és jelentős nemzetközi figyelmet kapott.
NiCd, az első alkáli elem
1899–ben egy Waldemar Jungner nevű svéd tudós feltalálta a nikkel-kadmium akkumulátort, egy újratölthető akkumulátort, amely nikkel-és kadmium elektródákat tartalmaz kálium-hidroxid oldatban; az első alkáli elektrolitot használó elem. 1910-ben Svédországban forgalmazták, 1946-ban pedig az Egyesült Államokba került. Az első modellek robusztusak voltak, és lényegesen jobb energiasűrűséggel rendelkeztek, mint az ólom-sav akkumulátorok, de sokkal drágábbak voltak.
20. század:
nikkel-vas
nikkel-vas akkumulátorok 1972 és 1975 között gyártották az “Exide” márkanév alatt, eredetileg 1901-ben Thomas Edison fejlesztette ki.
Waldemar Jungner 1899–ben szabadalmaztatott egy nikkel-vas akkumulátort, ugyanabban az évben, mint a ni-Cad akkumulátor szabadalmát, de úgy találta, hogy alacsonyabb a kadmium megfelelőjénél, következésképpen soha nem zavarta a fejlesztését. Töltéskor sokkal több hidrogéngázt termelt, ami azt jelenti, hogy nem lehetett lezárni, és a töltési folyamat kevésbé volt hatékony (azonban olcsóbb volt).
Thomas Edison az 1890-es években egy lúgos alapú akkumulátor kifejlesztésén dolgozott, amelyre szabadalmat szerezhet. Edison úgy gondolta, hogy ha könnyű és tartós akkumulátoros elektromos autókat gyárt, akkor a cég fő akkumulátorgyártója lesz. Sok kísérlet után, valószínűleg jungner tervéből kölcsönözve, 1901–ben szabadalmaztatott egy lúgos alapú nikkel-vas akkumulátort. Az ügyfelek azonban úgy találták, hogy az alkáli nikkel–vas akkumulátor első modellje hajlamos a szivárgásra, ami rövid akkumulátor-élettartamhoz vezet, és nem sokkal felülmúlta az ólom-sav cellát sem. Bár Edison hét évvel később képes volt megbízhatóbb és erősebb modellt gyártani, ekkorra az olcsó és megbízható T-modell Ford a benzinmotoros autókat szabványossá tette. Ennek ellenére az Edison akkumulátora nagy sikert ért el más alkalmazásokban, például elektromos és dízel-elektromos vasúti járművekben, tartalék energiát biztosítva a vasúti átjárók jelzéseihez vagy a bányákban használt lámpák áramellátásához.
közös Alkáli elemek
az 1950–es évek végéig a cink-szén akkumulátor továbbra is népszerű elsődleges cellás akkumulátor volt, de viszonylag alacsony akkumulátor-élettartama akadályozta az értékesítést. 1955-ben egy Lewis Urry nevű mérnök, aki az Union Carbide-nál dolgozott a nemzeti szén-dioxid-Társaság Parma kutatólaboratórium, azt a feladatot kapta, hogy találjon módot a cink-szén akkumulátorok élettartamának meghosszabbítására, de Urry ehelyett úgy döntött, hogy az alkáli elemek ígéretesebbek. Addig a hosszabb élettartamú Alkáli elemek megvalósíthatatlanul drágák voltak. Az Urry akkumulátora egy mangán-dioxid katódból és egy porított cink-anódból áll, lúgos elektrolittal. Porított cink használata nagyobb felületet biztosít az anódnak. Ezeket az elemeket 1959-ben hozták forgalomba.
nikkel-hidrogén és nikkel-fém–hidrid
a nikkel-hidrogén akkumulátor a kereskedelmi kommunikációs műholdak energiatároló alrendszereként lépett be a piacra.
az első fogyasztói minőségű nikkel–fém–hidrid akkumulátorok (NiMH) kisebb alkalmazásokhoz 1989-ben jelentek meg a piacon az 1970-es évek nikkel-hidrogén akkumulátorának változataként. A NiMH akkumulátorok általában hosszabb élettartamúak, mint a NiCd akkumulátorok (és élettartamuk tovább növekszik, mivel a gyártók új ötvözetekkel kísérleteznek), és mivel a kadmium mérgező, a NiMH akkumulátorok kevésbé károsak a környezetre.
lítium és lítium-ion akkumulátorok
a lítium a legkisebb sűrűségű és a legnagyobb elektrokémiai potenciállal és energia-tömeg aránnyal rendelkező fém. Az ionok alacsony atomtömege és kis mérete szintén felgyorsítja a diffúziót, ami arra utal, hogy ideális anyag lenne az akkumulátorok számára.A lítium akkumulátorokkal való kísérletezés 1912-ben kezdődött G. N. Lewis alatt, de a kereskedelmi lítium akkumulátorok csak az 1970-es években kerültek piacra. a három voltos lítium primer cellákat, például a CR123A típust és a három voltos gombcellákat még mindig széles körben használják, különösen kamerákban és nagyon kicsi eszközökben.
három fontos fejlemény történt a lítium akkumulátorokkal kapcsolatban az 1980-as években. 1980-ban egy amerikai vegyész, John B. Goodenough felfedezte a LiCoO2 katódot (pozitív ólom), és egy marokkói kutató, Rachid Yazami felfedezte a grafit anódot (negatív ólom) a szilárd elektrolittal. 1981-ben Tokio Yamabe és Shizukuni Yata japán kémikusok felfedeztek egy új nano-carbonacious-PAS-t (poliacén), és azt találták, hogy nagyon hatékony a hagyományos folyékony elektrolit anódja számára. Ez vezetett egy kutatócsoport által irányított Akira Yoshino Asahi Chemical, Japán, építeni az első lítium-ion akkumulátor prototípus 1985-ben, egy újratölthető és stabilabb változata a lítium akkumulátor; A Sony 1991-ben forgalmazta a lítium-ion akkumulátort.
1997-ben a lítium-polimer akkumulátor megjelent a Sony és Asahi Kasei. Ezek az akkumulátorok folyékony oldószer helyett szilárd polimer kompozitban tartják elektrolitjukat, és az elektródák és az elválasztók egymáshoz vannak laminálva. Ez utóbbi különbség lehetővé teszi, hogy az akkumulátort Merev fém burkolat helyett rugalmas csomagolásba helyezzük, ami azt jelenti, hogy az ilyen elemek kifejezetten úgy alakíthatók, hogy illeszkedjenek egy adott eszközhöz. Ez az előny előnyben részesítette a lítium-polimer akkumulátorokat a hordozható elektronikus eszközök, például a mobiltelefonok és a személyi digitális asszisztensek, valamint a rádióvezérelt repülőgépek tervezésében, mivel ezek az akkumulátorok rugalmasabb és kompaktabb kialakítást tesznek lehetővé. Általában alacsonyabb energiasűrűséggel rendelkeznek, mint a normál lítium-ion akkumulátorok.
2019-ben John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham és Akira Yoshino elnyerte a 2019-es kémiai Nobel-díjat lítium-ion akkumulátorok fejlesztéséért.