Experiments
Nel 1749, Benjamin Franklin, il polimatico statunitense e padre fondatore, usò per la prima volta il termine “batteria” per descrivere un insieme di condensatori collegati che utilizzò per i suoi esperimenti con l’elettricità. Questi condensatori erano pannelli di vetro rivestiti con metallo su ogni superficie. Questi condensatori sono stati caricati con un generatore statico e scaricati toccando metallo al loro elettrodo. Collegandoli insieme in una “batteria” ha dato una scarica più forte. Originariamente avendo il significato generico di” un gruppo di due o più oggetti simili che funzionano insieme”, come in una batteria di artiglieria, il termine venne usato per pile voltaiche e dispositivi simili in cui molte celle elettrochimiche erano collegate insieme alla maniera dei condensatori di Franklin. Oggi anche una singola cella elettrochimica, aka una cella a secco, è comunemente chiamata batteria.
Invenzione
Luigi Galvani è stato un medico, fisico, biologo e filosofo italiano, che scoprì l’elettricità animale. Nel 1780, lui e sua moglie Lucia scoprirono che i muscoli delle gambe delle rane morte si contrassero quando venivano colpiti da una scintilla elettrica. Galvani credeva che l’energia che guidava questa contrazione provenisse dalla gamba stessa. Chiamò “elettricità animale” quando due metalli diversi erano collegati in serie con una gamba di rana e l’uno all’altro.
Tuttavia, Alessandro Volta – il fisico e chimico italiano – amico e collega scienziato di Luigi Galvani, non era d’accordo, credendo che questo fenomeno fosse causato da due metalli diversi uniti da un intermediario umido. Ha verificato questa ipotesi attraverso l’esperimento, e pubblicato i risultati nel 1791. Nel 1800, Volta inventò la prima vera batteria, che divenne nota come pila voltaica. La pila voltaica consisteva in coppie di dischi di rame e zinco ammucchiati l’uno sopra l’altro, separati da uno strato di stoffa o cartone imbevuto di salamoia (cioè l’elettrolita). A differenza del vaso di Leida, la pila voltaica produceva un’elettricità continua e una corrente stabile, e perdeva poca carica nel tempo quando non era in uso, anche se i suoi primi modelli non potevano produrre una tensione abbastanza forte da produrre scintille. Ha sperimentato vari metalli e ha scoperto che lo zinco e l’argento hanno dato i migliori risultati.
Volta credeva che la corrente fosse il risultato di due materiali diversi che si toccavano semplicemente l’un l’altro—una teoria scientifica obsoleta nota come tensione di contatto—e non il risultato di reazioni chimiche. Di conseguenza, ha considerato la corrosione delle piastre di zinco come un difetto non correlato che potrebbe forse essere risolto cambiando i materiali in qualche modo. Tuttavia, nessuno scienziato è mai riuscito a prevenire questa corrosione. In effetti, è stato osservato che la corrosione era più veloce quando veniva aspirata una corrente più alta. Ciò ha suggerito che la corrosione era in realtà parte integrante della capacità della batteria di produrre una corrente. Questo, in parte, ha portato al rifiuto della teoria della tensione di contatto di Volta a favore della teoria elettrochimica.
I modelli originali di pila di Volta presentavano alcuni difetti tecnici, uno dei quali riguardava la fuoriuscita dell’elettrolito e causava cortocircuiti dovuti al peso dei dischi che comprimevano il panno imbevuto di salamoia. William Cruickshank, un chirurgo e chimico militare scozzese, risolse questo problema ponendo gli elementi in una scatola invece di accumularli in una pila. Questo era conosciuto come la batteria trogolo. Volta stesso inventò una variante che consisteva in una catena di tazze riempite con una soluzione salina, collegate tra loro da archi metallici immersi nel liquido. Questo era conosciuto come la corona di coppe. Questi archi erano fatti di due metalli diversi (ad esempio, zinco e rame) saldati insieme. Questo modello ha anche dimostrato di essere più efficiente rispetto ai suoi pali originali, anche se non si è rivelato così popolare.
Un altro problema con le batterie di Volta era la breve durata della batteria (un’ora al massimo), causata da due fenomeni. Il primo era che la corrente prodotta elettrolizzava la soluzione elettrolitica, risultando in un film di bolle di idrogeno che si formavano sul rame, che aumentava costantemente la resistenza interna della batteria (questo effetto, chiamato polarizzazione, viene contrastato nelle cellule moderne con misure aggiuntive). L’altro era un fenomeno chiamato azione locale, in cui minuti cortocircuiti si formavano attorno alle impurità nello zinco, causando il degrado dello zinco. Quest’ultimo problema fu risolto nel 1835 dall’inventore inglese William Sturgeon, che scoprì che lo zinco amalgamato, la cui superficie era stata trattata con un po ‘ di mercurio, non soffriva di azione locale.
Nonostante i suoi difetti, le batterie di Volta forniscono una corrente più stabile rispetto ai vasi di Leyden e hanno reso possibili molti nuovi esperimenti e scoperte, come la prima elettrolisi dell’acqua dal chirurgo inglese Anthony Carlisle e dal chimico inglese William Nicholson.
Prime batterie pratiche
Daniell cell
Un professore inglese di chimica di nome John Frederic Daniell ha trovato un modo per risolvere il problema della bolla di idrogeno nella pila voltaica utilizzando un secondo elettrolita per consumare l’idrogeno prodotto dal primo. Nel 1836, inventò la cella di Daniell, che consiste in una pentola di rame riempita con una soluzione di solfato di rame, in cui è immerso un contenitore di terracotta non smaltato riempito con acido solforico e un elettrodo di zinco. La barriera di terracotta è porosa, che consente agli ioni di passare attraverso ma impedisce alle soluzioni di mescolarsi.
La cella Daniell è stato un grande miglioramento rispetto alla tecnologia esistente utilizzata nei primi giorni di sviluppo della batteria ed è stata la prima fonte pratica di energia elettrica. Fornisce una corrente più lunga e più affidabile rispetto alla cella voltaica. È anche più sicuro e meno corrosivo. Ha una tensione di funzionamento di circa 1,1 volt. Divenne presto lo standard industriale per l’uso, specialmente con le nuove reti telegrafiche.
La cella Daniell è stata anche utilizzata come primo standard di lavoro per la definizione del volt, che è l’unità di forza elettromotrice.
Cellula dell’uccello
Una versione della cellula di Daniell è stata inventata nel 1837 dal medico dell’ospedale del ragazzo Golding Bird che ha usato un gesso della barriera di Parigi per tenere le soluzioni separate. Gli esperimenti di Bird con questa cellula erano di una certa importanza per la nuova disciplina dell’elettrometallurgia.
Cella porosa
La versione porosa della cella Daniell fu inventata da John Dancer, un produttore di strumenti di Liverpool, nel 1838. È costituito da un anodo centrale di zinco immerso in una pentola di terracotta porosa contenente una soluzione di solfato di zinco. Il vaso poroso è, a sua volta, immerso in una soluzione di solfato di rame contenuto in una lattina di rame, che funge da catodo della cellula. L’uso di una barriera porosa consente agli ioni di passare attraverso ma impedisce alle soluzioni di mescolarsi.
Gravity cell
Nel 1860, un francese di nome Callaud inventò una variante della cella di Daniell chiamata gravity cell. Questa versione più semplice ha dispensato la barriera porosa. Ciò riduce la resistenza interna del sistema e, quindi, la batteria produce una corrente più forte. Divenne rapidamente la batteria di scelta per le reti telegrafiche americane e britanniche, ed è stato ampiamente utilizzato fino al 1950.
La cella di gravità è costituita da un barattolo di vetro, in cui un catodo di rame si trova sul fondo e un anodo di zinco è sospeso sotto il bordo. I cristalli del solfato di rame sono sparsi intorno al catodo ed allora il vaso è riempito di acqua distillata. Mentre la corrente viene aspirata, uno strato di soluzione di solfato di zinco si forma nella parte superiore attorno all’anodo. Questo strato superiore è tenuto separato dallo strato inferiore di solfato di rame dalla sua densità inferiore e dalla polarità della cella.
Lo strato di solfato di zinco è chiaro in contrasto con lo strato di solfato di rame blu profondo, che consente a un tecnico di misurare la durata della batteria con uno sguardo. D’altra parte, questa configurazione significa che la batteria può essere utilizzata solo in un apparecchio fisso, altrimenti le soluzioni si mescolano o si rovesciano. Un altro svantaggio è che una corrente deve essere continuamente aspirata per evitare che le due soluzioni si mescolino per diffusione, quindi non è adatta per un uso intermittente.
Cella di Poggendorff
Lo scienziato tedesco Johann Christian Poggendorff superò i problemi di separazione dell’elettrolita e del depolarizzatore usando una pentola di terracotta porosa nel 1842. Nella cella di Poggendorff, a volte chiamata Cella di Grenet a causa delle opere di Eugene Grenet intorno al 1859, l’elettrolita è acido solforico diluito e il depolarizzatore è acido cromico. I due acidi sono fisicamente mescolati insieme, eliminando il vaso poroso. L’elettrodo positivo (catodo) è costituito da due piastre di carbonio, con una piastra di zinco (negativa o anodo) posizionata tra di esse. A causa della tendenza della miscela acida a reagire con lo zinco, viene fornito un meccanismo per sollevare l’elettrodo di zinco dagli acidi.
La cella fornisce 1,9 volt. Si è dimostrato popolare tra gli sperimentatori per molti anni a causa della sua tensione relativamente alta; maggiore capacità di produrre una corrente costante e mancanza di fumi, ma la relativa fragilità del suo sottile involucro di vetro e la necessità di dover sollevare la piastra di zinco quando la cella non è in uso alla fine ha visto cadere in disgrazia. La cellula era anche conosciuta come “cellula dell’acido cromico”, ma principalmente come “cellula bicromata”. Quest’ultimo nome deriva dalla pratica di produrre l’acido cromico aggiungendo acido solforico al dicromato di potassio, anche se la cellula stessa non contiene dicromato.
La cellula Fuller è stata sviluppata dalla cellula di Poggendorff. Anche se la chimica è principalmente la stessa, i due acidi sono ancora una volta separati da un contenitore poroso e lo zinco viene trattato con mercurio per formare un amalgama.
Grove cell
La Grove cell fu inventata dal gallese William Robert Grove nel 1839. È costituito da un anodo di zinco immerso in acido solforico e un catodo di platino immerso in acido nitrico, separati da terracotta porosa. La cella Grove fornisce una corrente elevata e quasi il doppio della tensione della cella Daniell, che ha reso la cella preferita delle reti telegrafiche americane per un certo tempo. Tuttavia, emana fumi di ossido nitrico velenosi quando viene utilizzato. La tensione scende anche bruscamente come la carica diminuisce, che è diventato un passivo come reti telegrafiche è cresciuto più complesso. Il platino era ed è ancora molto costoso.
Batterie ricaricabili e celle a secco
Piombo-acido
Fino a questo punto, tutte le batterie esistenti sarebbero permanentemente scaricate quando tutte le loro reazioni chimiche fossero esaurite. Nel 1859, Gaston Planté inventò la batteria al piombo, la prima batteria in assoluto che poteva essere ricaricata facendo passare una corrente inversa attraverso di essa. Una cella di acido al piombo è costituita da un anodo di piombo e un catodo di biossido di piombo immerso in acido solforico. Entrambi gli elettrodi reagiscono con l’acido per produrre solfato di piombo, ma la reazione all’anodo di piombo rilascia elettroni mentre la reazione al biossido di piombo li consuma, producendo così una corrente. Queste reazioni chimiche possono essere invertite facendo passare una corrente inversa attraverso la batteria, ricaricandola.
Il primo modello di Planté consisteva in due fogli di piombo separati da strisce di gomma e arrotolati a spirale. Le sue batterie furono utilizzate per alimentare le luci nelle carrozze dei treni mentre si fermavano in una stazione. Nel 1881, Camille Alphonse Faure inventò una versione migliorata che consiste in un reticolo di griglia di piombo in cui viene pressata una pasta di ossido di piombo, formando una piastra. Più piastre possono essere impilati per una maggiore prestazione. Questo design è più facile da produrre in serie.
Rispetto ad altre batterie, Planté è piuttosto pesante e ingombrante per la quantità di energia che può contenere. Tuttavia, può produrre correnti notevolmente grandi in picchi. Ha anche una resistenza interna molto bassa, il che significa che una singola batteria può essere utilizzata per alimentare più circuiti.
La batteria al piombo è ancora utilizzata oggi nelle automobili e in altre applicazioni in cui il peso non è un fattore importante. Il principio di base non è cambiato dal 1859. Nei primi anni 1930, un elettrolita gel (invece di un liquido) prodotto aggiungendo silice ad una cella carica è stato utilizzato nella batteria LT di radio portatili a tubo vuoto. Nel 1970, le versioni” sigillate “divennero comuni (comunemente note come” cella gel “o” SLA”), consentendo alla batteria di essere utilizzata in diverse posizioni senza guasti o perdite.
Oggi le cellule sono classificate come “primarie” se producono una corrente solo fino a quando i loro reagenti chimici non sono esauriti e “secondarie” se le reazioni chimiche possono essere invertite ricaricando la cellula. La cellula piombo-acido era la prima cellula “secondaria”.
Cella Leclanché
Nel 1866, Georges Leclanché inventò una batteria costituita da un anodo di zinco e un catodo di biossido di manganese avvolto in un materiale poroso, immerso in un barattolo di soluzione di cloruro di ammonio. Il catodo di biossido di manganese ha anche un po ‘ di carbonio mescolato in esso, che migliora la conduttività e l’assorbimento. Ha fornito una tensione di 1,4 volt. Questa cella ha ottenuto un successo molto rapido nel lavoro di telegrafia, segnalazione e campana elettrica.
La forma a celle a secco è stata utilizzata per alimentare i primi telefoni—di solito da una scatola di legno adiacente apposta per montare le batterie prima che i telefoni potessero attingere energia dalla linea telefonica stessa. La cella di Leclanché non può fornire una corrente sostenuta per molto tempo. Nelle lunghe conversazioni, la batteria si esauriva, rendendo la conversazione impercettibile. Questo perché alcune reazioni chimiche nella cella aumentano la resistenza interna e, quindi, abbassano la tensione. Queste reazioni si invertono quando la batteria viene lasciata inattiva, quindi è buona solo per uso intermittente.
Cella zinco-carbonio,la prima cella a secco
Molti sperimentatori hanno cercato di immobilizzare l’elettrolita di una cella elettrochimica per renderlo più comodo da usare. La pila Zamboni del 1812 è una batteria a secco ad alta tensione ma in grado di erogare solo correnti minute. Vari esperimenti sono stati fatti con cellulosa, segatura, vetro filato, fibre di amianto e gelatina.
Nel 1886, Carl Gassner ottenne un brevetto tedesco su una variante della cella Leclanché, che divenne nota come cella a secco perché non ha un elettrolita liquido libero. Invece, il cloruro di ammonio è mescolato con gesso di Parigi per creare una pasta, con una piccola quantità di cloruro di zinco aggiunto per prolungare la durata di conservazione. Il catodo di biossido di manganese è immerso in questa pasta, ed entrambi sono sigillati in un guscio di zinco, che funge anche da anodo. Nel novembre 1887, ottenne il brevetto statunitense 373.064 per lo stesso dispositivo.
A differenza delle celle a umido precedenti, la cella a secco di Gassner è più solida, non richiede manutenzione, non si rovescia e può essere utilizzata in qualsiasi orientamento. Fornisce un potenziale di 1,5 volt. Il primo modello prodotto in serie fu il Columbia dry cell, commercializzato per la prima volta dalla National Carbon Company nel 1896. L’NCC ha migliorato il modello di Gassner sostituendo l’intonaco di Parigi con cartone arrotolato, un’innovazione che ha lasciato più spazio per il catodo e ha reso la batteria più facile da montare. Fu la prima batteria conveniente per le masse e rese pratici i dispositivi elettrici portatili e portò direttamente all’invenzione della torcia.
Parallelamente, nel 1887 Wilhelm Hellesen sviluppò il proprio design a celle a secco. È stato affermato che il progetto di Hellesen precedette quello di Gassner.
Nel 1887, una batteria a secco è stato sviluppato da Yai Sakizō del Giappone, poi brevettato nel 1892. Nel 1893, la batteria a secco di Yai Sakizō fu esposta alla World’s Columbian Exposition e suscitò una notevole attenzione internazionale.
NiCd, la prima batteria alcalina
Nel 1899, uno scienziato svedese di nome Waldemar Jungner inventò la batteria al nichel–cadmio, una batteria ricaricabile che ha elettrodi di nichel e cadmio in una soluzione di idrossido di potassio; la prima batteria ad utilizzare un elettrolita alcalino. Fu commercializzato in Svezia nel 1910 e raggiunse gli Stati Uniti nel 1946. I primi modelli erano robusti e avevano una densità di energia significativamente migliore rispetto alle batterie al piombo-acido, ma erano molto più costosi.
20 ° secolo: nuove tecnologie e ubiquità
Nichel-ferro
Batterie al nichel-ferro prodotte tra il 1972 e il 1975 con il marchio “Exide”, originariamente sviluppato nel 1901 da Thomas Edison.
Waldemar Jungner brevettò una batteria al nichel–ferro nel 1899, lo stesso anno del suo brevetto sulla batteria Ni-Cad, ma la trovò inferiore alla sua controparte al cadmio e, di conseguenza, non si preoccupò mai di svilupparla. Produceva molto più gas idrogeno quando veniva caricato, il che significa che non poteva essere sigillato e il processo di ricarica era meno efficiente (era, tuttavia, più economico).
Vedendo un modo per realizzare un profitto nel già competitivo mercato delle batterie al piombo, Thomas Edison ha lavorato nel 1890 sullo sviluppo di una batteria a base alcalina che poteva ottenere un brevetto su. Edison pensava che se producesse auto elettriche a batteria leggere e resistenti sarebbe diventato lo standard, con la sua azienda come principale fornitore di batterie. Dopo molti esperimenti, e probabilmente prendendo in prestito dal progetto di Jungner, brevettò una batteria alcalina a base di nichel-ferro nel 1901. Tuttavia, i clienti hanno trovato il suo primo modello della batteria alcalina nichel-ferro per essere inclini a perdite che portano a breve durata della batteria, e non ha sovraperformare la cella piombo-acido di molto sia. Anche se Edison è stato in grado di produrre un modello più affidabile e potente sette anni più tardi, da questo momento il modello economico e affidabile T Ford aveva fatto auto con motore a benzina lo standard. Tuttavia, la batteria di Edison ha ottenuto un grande successo in altre applicazioni come veicoli ferroviari elettrici e diesel-elettrici, fornendo alimentazione di riserva per i segnali di attraversamento ferroviario o per fornire energia per le lampade utilizzate nelle miniere.
Batterie alcaline comuni
Fino alla fine del 1950, la batteria zinco–carbonio ha continuato ad essere una batteria primaria popolare, ma la sua durata della batteria relativamente bassa ostacolato le vendite. Nel 1955, un ingegnere di nome Lewis Urry, che lavorava per Union Carbide presso il National Carbon Company Parma Research Laboratory, fu incaricato di trovare un modo per prolungare la vita delle batterie zinco-carbonio, ma Urry decise invece che le batterie alcaline mantenevano più promesse. Fino ad allora, le batterie alcaline più durature erano insostenibilmente costose. La batteria di Urry è costituita da un catodo di biossido di manganese e un anodo di zinco in polvere con un elettrolita alcalino. L’utilizzo di zinco in polvere conferisce all’anodo una superficie maggiore. Queste batterie sono state messe sul mercato nel 1959.
Nichel-idrogeno e nichel-metallo–idruro
La batteria al nichel-idrogeno è entrata nel mercato come sottosistema di accumulo di energia per i satelliti di comunicazione commerciale.
Le prime batterie al nichel – metallo idruro (NiMH) per applicazioni più piccole sono apparse sul mercato nel 1989 come variante della batteria al nichel–idrogeno degli anni ‘ 70. Le batterie NiMH tendono ad avere una durata più lunga rispetto alle batterie NiCd (e la loro durata continua ad aumentare man mano che i produttori sperimentano nuove leghe) e, poiché il cadmio è tossico, le batterie NiMH sono meno dannose per l’ambiente.
Batterie al litio e agli ioni di litio
Il litio è il metallo con la densità più bassa e con il più grande potenziale elettrochimico e il rapporto energia-peso. Il basso peso atomico e le piccole dimensioni dei suoi ioni accelerano anche la sua diffusione, suggerendo che sarebbe un materiale ideale per le batterie.La sperimentazione con le batterie al litio ha avuto inizio nel 1912 sotto G. N. Lewis, ma le batterie al litio commerciali non è venuto sul mercato fino al 1970. Tre volt celle primarie al litio come il tipo CR123A e tre celle a bottone volt sono ancora ampiamente utilizzati, soprattutto in macchine fotografiche e dispositivi molto piccoli.
Tre importanti sviluppi riguardanti le batterie al litio si sono verificati nel 1980. Nel 1980, un chimico americano, John B. Goodenough, scoprì il catodo LiCoO2 (piombo positivo) e un ricercatore marocchino, Rachid Yazami, scoprì l’anodo di grafite (piombo negativo) con l’elettrolita solido. Nel 1981, i chimici giapponesi Tokio Yamabe e Shizukuni Yata scoprirono un nuovo nano-carbonace-PAS (poliacene) e scoprirono che era molto efficace per l’anodo nell’elettrolita liquido convenzionale. Questo ha portato un team di ricerca gestito da Akira Yoshino di Asahi Chemical, Giappone, a costruire il primo prototipo di batteria agli ioni di litio nel 1985, una versione ricaricabile e più stabile della batteria al litio; Sony commercializzò la batteria agli ioni di litio nel 1991.
Nel 1997, la batteria ai polimeri di litio è stata rilasciata da Sony e Asahi Kasei. Queste batterie tengono il loro elettrolita in un composito polimerico solido invece che in un solvente liquido, e gli elettrodi e separatori sono laminati tra loro. Quest’ultima differenza consente alla batteria di essere racchiusa in un involucro flessibile anziché in un involucro metallico rigido, il che significa che tali batterie possono essere specificamente modellate per adattarsi a un particolare dispositivo. Questo vantaggio ha favorito le batterie ai polimeri di litio nella progettazione di dispositivi elettronici portatili come telefoni cellulari e assistenti digitali personali e di aeromobili radiocomandati, in quanto tali batterie consentono un design più flessibile e compatto. Generalmente hanno una densità di energia inferiore rispetto alle normali batterie agli ioni di litio.
Nel 2019, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino hanno ricevuto il Premio Nobel per la chimica 2019, per il loro sviluppo di batterie agli ioni di litio.