Experiments
1749年、米国の実業家で創立の父であるBenjamin Franklinは、電気の実験に使用した連結コンデンサのセットを記述するために「電池」という用語を最初に使用しました。 これらのコンデンサは、各表面に金属で被覆されたガラスのパネルであった。 これらのコンデンサを静電発生器で充電し，金属を電極に接触させて放電した。 “電池”でそれらを一緒にリンクすると、より強力な放電が得られました。 もともとは大砲の電池のように”二つ以上の類似した物体のグループが一緒に機能する”という一般的な意味を持ち、多くの電気化学セルがフランクリンのコンデンサのように一緒に接続されたvoltaicパイルや類似のデバイスに使用されるようになった。 今日では、単一の電気化学セル、別名乾電池でさえ、一般的に電池と呼ばれています。
ルイージ-ガルヴァーニはイタリアの医師、物理学者、生物学者、哲学者であり、動物の電気を発見した。 1780年、彼と妻のルシアは、死んだカエルの足の筋肉が電気火花に襲われたときに痙攣することを発見した。 Galvaniは、この収縮を引き起こしたエネルギーは脚自体から来たと信じていました。 彼は二つの異なる金属がカエルの足と互いに直列に接続されていたときに”動物の電気”と命名しました。
しかし、ルイージ–ガルヴァーニの友人で同僚の科学者であるイタリアの物理学者で化学者であるアレッサンドロ–ボルタは、この現象は二つの異なる金属が湿った仲介者によって結合されたことが原因であると信じて反対した。 彼は実験を通じてこの仮説を検証し、1791年にその結果を発表した。 1800年、ボルタは最初の真の電池を発明し、これはボルタパイルとして知られるようになった。 電圧杭は、ブライン（すなわち、電解質）に浸した布または厚紙の層によって分離された、互いの上に積まれた銅と亜鉛のディスクのペアから成っていた。 Leyden jarとは異なり、電圧杭は連続的な電気と安定した電流を生成し、使用されていないときは時間の経過とともにほとんど電荷を失いませんでしたが、初期のモデルでは火花を発生させるのに十分な電圧を生成することはできませんでした。 彼は様々な金属を実験し、亜鉛と銀が最良の結果をもたらしたことを発見しました。
ボルタは、電流は2つの異なる材料が単に互いに接触した結果であ その結果、彼は亜鉛板の腐食を無関係な欠陥とみなし、材料を何らかの形で変更することによって修正することができました。 しかし、この腐食を防ぐことに成功した科学者はいませんでした。 実際、より高い電流を引き込むと腐食が速くなることが観察されました。 これは、腐食が実際に電流を生成する電池の能力に不可欠であることを示唆した。 これは、部分的には、電気化学理論を支持するボルタの接触張力理論の拒絶につながった。
ボルタのオリジナルのパイルモデルにはいくつかの技術的な欠陥があり、そのうちの一つは電解液の漏れと、塩水に浸した布を圧縮するディスクの重さに起因する短絡を引き起こすことを含んでいた。 スコットランドの軍事外科医で化学者であったウィリアム-クルックシャンクは、この問題をスタックに積み重ねるのではなく、箱に要素を置くことで解決した。 これは、トラフ電池として知られていました。 ボルタ自身は、液体に浸した金属アークによって一緒にリンクされた塩溶液で満たされたカップの鎖からなる変種を発明した。 これはカップの王冠として知られていました。 これらのアークは、二つの異なる金属（例えば、亜鉛と銅）を一緒にはんだ付けして作られていました。 このモデルはまた、彼の元の杭よりも効率的であることが証明されましたが、人気はありませんでした。
ボルタの電池のもう一つの問題は、二つの現象によって引き起こされた短い電池寿命（せいぜい時間の価値）でした。 最初は、生成された電流が電解液を電解し、銅上に水素気泡の膜が形成され、電池の内部抵抗が着実に増加した（分極と呼ばれるこの効果は、現代のセル もう一つは、微小な短絡が亜鉛中の不純物の周りに形成され、亜鉛が劣化する局所作用と呼ばれる現象であった。 後者の問題は、表面が水銀で処理されていた合併亜鉛が局所的な作用を受けないことを発見した英国の発明家ウィリアム-スタージョンによって1835年に解決された。
その欠陥にもかかわらず、Voltaの電池はLeydenの瓶よりも安定した電流を供給し、英国の外科医Anthony Carlisleと英国の化学者William Nicholsonによる最初の水の電気分解など、多くの新
First practical batteries
Daniell cell
John Frederic Daniellという英国の化学教授が、最初に生成された水素を消費するために第二の電解質を使用することにより、Voltaicパイルの水素泡問題を解 1836年、彼は硫酸銅溶液で満たされた銅鍋からなるダニエールセルを発明し、そこに硫酸と亜鉛電極で満たされた素焼きの土器容器を浸漬した。 陶器の障壁は多孔性であり、イオンが通過することを可能にするが、溶液が混合しないようにする。
ダニエール電池は、電池開発の初期に使用されていた既存の技術よりも大きな改善であり、最初の実用的な電力源でした。 それはVoltaic細胞より長く、信頼できる流れを提供する。 それはまたより安全、より少なく腐食性です。 それはおよそ1.1ボルトの操作電圧を有する。 それはすぐに、特に新しい電信ネットワークで使用するための業界標準になりました。
ダニエルセルは、起電力の単位であるボルトの定義のための最初の作業標準としても使用されました。
バードセル
ダニエールセルのバージョンは、パリの障壁の石膏を使用して溶液を分離した男の病院の医師ゴールディングバードによって1837年に発明されました。 この細胞を用いた鳥の実験は、電気冶金の新しい規律にとっていくつかの重要性を持っていた。
ポーラスポットセル
ポーラスポットバージョンのダニエールセルは、1838年にリバプールの楽器メーカーであるジョン-ダンサーによって発明されました。 これは、硫酸亜鉛溶液を含む多孔質土器ポットに浸漬した中央の亜鉛陽極からなる。 多孔質ポットは、次に、セルの陰極として機能する銅缶に含まれる硫酸銅の溶液に浸漬される。 多孔性の障壁の使用はイオンが渡るようにしますが、混合からの解決を保ちます。
重力セル
1860年代、フランス人のCallaudが重力セルと呼ばれるDaniellセルの変種を発明しました。 このより簡単な版は多孔性の障壁と分配した。 これにより、システムの内部抵抗が低減され、バッテリはより強い電流を生成します。 それはすぐにアメリカとイギリスの電信ネットワークのための選択の電池となり、1950年代まで広く使用されました。
重力セルは、銅陰極が底に座り、亜鉛陽極が縁の下に吊り下げられたガラス瓶で構成されています。 硫酸銅の水晶は陰極のまわりで分散されますあり、次に瓶は蒸留水で満ちています。 電流が流れると、陽極の周りの上部に硫酸亜鉛溶液の層が形成されます。 この最上層は、そのより低い密度およびセルの極性によって、下部硫酸銅層から分離されて保持される。
硫酸亜鉛層は、深い青色の硫酸銅層とは対照的に透明であり、技術者が一目で電池寿命を測定することができます。 一方では、この組み立ては電池が静止した電気器具でだけ使用することができることを他に解決は混合するか、またはこぼすことを意味する。 もう1つの欠点は、拡散によって2つの溶液が混合されないように電流を継続的に引き込まなければならないため、間欠的な使用には適していない
Poggendorff cell
ドイツの科学者Johann Christian Poggendorffは、1842年に多孔質土器ポットを使用して電解質と脱分極剤を分離する問題を克服しました。 ポッゲンドルフのセルでは、1859年頃のユージン-グルネの作品のためにグルネセルと呼ばれることがあり、電解質は希硫酸であり、脱分極剤はクロム酸である。 2つの酸は物理的に一緒に混合され、多孔性の鍋を除去する。 正極（陰極）は2つの炭素板であり、それらの間に亜鉛板（負または陽極）が配置されています。 酸混合物が亜鉛と反応する傾向があるため、亜鉛電極を酸から透明にする機構が提供される。
セルは1.9ボルトを供給します。 それは比較的高い電圧のために長年にわたり実験者と普及した証明した;一貫した流れを作り出すより大きい機能および発煙の欠乏、しかし薄いガラ この細胞は「クロム酸細胞」としても知られていましたが、主に「ビクロメート細胞」として知られていました。 この後者の名前は、セル自体には二クロム酸塩が含まれていないにもかかわらず、硫酸を二クロム酸カリウムに添加することによってクロム酸を産
フラー細胞はポッゲンドルフ細胞から開発された。 化学は主に同じですが、2つの酸は再び多孔質容器によって分離され、亜鉛は水銀で処理されてアマルガムを形成します。
グローブセル
グローブセルは1839年にウェルシュマン-ウィリアム-ロバート-グローブによって発明された。 これは、硫酸に浸した亜鉛陽極と、多孔質土器で分離された硝酸に浸した白金陰極からなる。 グローブセルは、大電流とダニエールセルのほぼ2倍の電圧を提供し、それはしばらくの間、アメリカの電信ネットワークの支持されたセルになりました。 但し、それは作動させたとき有害な一酸化窒素の発煙を放ちます。 また、電荷が減少するにつれて電圧も急激に低下し、電信網がより複雑になるにつれて責任となった。 プラチナだったし、まだ非常に高価です。
充電式電池と乾電池
鉛酸
これまで、既存の電池はすべての化学反応が費やされたときに永久に排出されます。 1859年、ガストン・プランテは鉛蓄電池を発明し、鉛蓄電池に逆電流を流すことで充電できる最初の電池であった。 鉛酸セルは、鉛陽極と硫酸に浸漬した二酸化鉛陰極からなる。 両方の電極は酸と反応して硫酸鉛を生成するが、鉛陽極での反応は電子を放出し、二酸化鉛での反応は電子を消費し、電流を生成する。 これらの化学反応は、電池に逆電流を流し、それによって電池を再充電することによって逆転させることができる。
プランテの最初のモデルは、ゴムストリップで分離された二つの鉛シートで構成され、螺旋状に巻かれていました。 彼の電池は、最初に駅に停車している間に電車の車内のライトに電力を供給するために使用されました。 1881年、カミーユ-アルフォンス-フォーレは、酸化鉛ペーストをプレスして板を形成する鉛格子格子からなる改良版を発明した。 多数の版はより大きい性能のために積み重ねることができます。 この設計は大量生産し易いです。
他の電池と比較して、Plantéのは、それが保持できるエネルギーの量のためにかなり重く、かさばるです。 しかし、それはサージで著しく大きな電流を生成することができます。 また、内部抵抗が非常に低いため、単一のバッテリを使用して複数の回路に電力を供給することができます。
鉛蓄電池は、重量があまり大きくない自動車などの用途で今日でも使用されています。 基本的な原則は1859年以来変わっていません。 1930年代初頭、充電されたセルにシリカを添加して製造されたゲル電解質（液体の代わりに）が、携帯用真空管ラジオのLT電池に使用された。 1970年代には、”密封された”バージョンが一般的になり（一般に”ゲルセル”または”SLA”として知られている）、故障や漏れなしに異なる位置で電池を使用することがで
今日の細胞は、化学反応物が排出されるまでのみ電流を生成する場合は”一次”と分類され、細胞を再充電することによって化学反応を逆転させることができる場合は”二次”と分類されている。 鉛酸細胞は、最初の”二次”細胞であった。
Leclanché cell
1866年、Georges Leclanchéは、塩化アンモニウム溶液の瓶に浸した多孔質材料で包まれた亜鉛陽極と二酸化マンガン陰極からなる電池を発明しました。 二酸化マンガンの陰極に伝導性および吸収を改善するそれにまた混合される少しカーボンがあります。 それは1.4ボルトの電圧を提供した。 この細胞は電信、信号を送ることおよび電気鐘の仕事の非常に速い成功を達成した。
乾電池は初期の電話に電力を供給するために使用されました—通常、電話が電話回線自体から電力を引き出す前に、電池に合うように取り付けられた隣の木箱からです。 Leclanchéの細胞は非常に長い間支えられた流れを提供できない。 長い会話では、バッテリーがダウンして、会話が聞こえなくなります。 これは、セル内の特定の化学反応が内部抵抗を増加させ、したがって電圧を低下させるためである。 これらの反応は、バッテリーがアイドル状態のままになっているときに逆になるので、断続的な使用にのみ適しています。
亜鉛-炭素電池、最初の乾電池
多くの実験者は、より使いやすくするために電気化学セルの電解質を固定化しようとしました。 1812年のZamboniの山は高圧乾電池しかし微小な流れだけ提供することができるである。 セルロース，おがくず，スピンガラス，アスベスト繊維，ゼラチンを用いて種々の実験を行った。
1886年、Carl Gassnerは、自由な液体電解質を持たないために乾電池として知られるようになったLeclanchéセルの変異体に関するドイツの特許を取得しました。 代わりに、塩化アンモニウムをパリの石膏と混合してペーストを作り、少量の塩化亜鉛を加えて貯蔵寿命を延ばす。 二酸化マンガンの陰極はこののりで浸され、両方とも陽極としてまた機能する亜鉛貝で密封されます。 1887年11月、彼は同じ装置のための米国特許373,064を取得した。
以前の湿式細胞とは異なり、Gassnerの乾式細胞はより固体であり、メンテナンスを必要とせず、こぼれず、任意の向きで使用することができます。 それは1.5ボルトの潜在性を提供する。 最初に量産されたモデルはコロンビア乾電池であり、1896年にナショナル-カーボン-カンパニーによって最初に販売された。 NCCはパリの石膏をコイル状の段ボールに置き換えることでガスナーのモデルを改善し、陰極のためのより多くのスペースを残し、電池を組み立てやすくした革新であった。 それは大衆のための最初の便利な電池であり、携帯用電気機器を実用的にし、懐中電灯の発明に直接導いた。
並行して、1887年にWilhelm Hellesenは独自の乾電池設計を開発しました。 ヘレーゼンの設計はガスナーの設計に先行していたと主張されている。
1887年、日本の矢井咲蔵によって乾電池が開発され、1892年に特許を取得しました。 1893年、ヤイ-サキゾーの乾電池が世界のコロンブス万国博覧会に出品され、国際的な注目を集めた。
NiCd、最初のアルカリ電池
1899年、スウェーデンの科学者Waldemar Jungnerは、水酸化カリウム溶液にニッケルとカドミウムの電極を持つ充電式電池であるニッケルカドミウム電池を発明した。 それは1910年にスウェーデンで商品化され、1946年に米国に達しました。 最初のモデルは堅牢で、鉛蓄電池よりもはるかに優れたエネルギー密度を持っていましたが、はるかに高価でした。
20世紀: 新技術とユビキタス
ニッケル-鉄
ニッケル-鉄電池は、もともとトーマス-エジソンによって1901年に開発された”Exide”ブランドの下で1972年から1975年の間に製造された。
Waldemar Jungnerは1899年にNi–Cad電池の特許と同じ年にニッケル-鉄電池の特許を取得しましたが、カドミウムの同等物よりも劣っていることが判明し、その結果、開発を気にすることはありませんでした。 充電されるとより多くの水素ガスが生成され、密封することができず、充電プロセスの効率が低下しました（ただし、安価でした）。
すでに競争力のある鉛蓄電池市場で利益を上げる方法を見て、トーマス-エジソンは1890年代に特許を得ることができるアルカリ電池の開発に取り組 エジソンは、彼が軽量で耐久性のあるバッテリー電気自動車を生産した場合、その主なバッテリーベンダーとしての彼の会社で、標準になるだろうと思 多くの実験の後、おそらくユングナーの設計から借りて、彼は1901年にアルカリベースのニッケル鉄電池の特許を取得しました。 しかし、アルカリニッケル鉄電池の最初のモデルは、電池寿命が短くなるために漏れやすく、鉛酸電池よりもはるかに優れていませんでした。 エジソンはより信頼性の高い強力なモデルを7年後に生産することができましたが、この時までに安価で信頼性の高いモデルT Fordはガソリンエンジン車を標準にしました。 それにもかかわらず、エジソンのバッテリーは、電気およびディーゼル電気鉄道車両のような他の用途で大きな成功を収め、踏切信号のバックアップ電源を提供したり、鉱山で使用されるランプに電力を供給したりした。
一般的なアルカリ電池
1950年代後半まで、亜鉛–炭素電池は人気の一次電池であり続けましたが、電池寿命が比較的短いため販売が妨げられました。 1955年、国立炭素会社パルマ研究所のユニオンカーバイドで働いていたルイス-ウリーというエンジニアが、亜鉛-炭素電池の寿命を延ばす方法を見つけることを任されたが、ウリーは代わりにアルカリ電池がより多くの約束を持つことを決めた。 それまでは、長持ちするアルカリ電池は実現不可能なほど高価でした。 Urryの電池はアルカリ電解物が付いているマンガンの二酸化物の陰極そして粉にされた亜鉛陽極から成っています。 粉にされた亜鉛を使用して陽極により大きい表面積を与えます。 これらの電池は1959年に市場に出されました。
ニッケル水素およびニッケル金属水素化物
ニッケル水素電池は、商用通信衛星のエネルギー貯蔵サブシステムとして市場に参入しました。
1989年、1970年代のニッケル水素電池のバリエーションとして、より小型の用途向けの最初の民生用ニッケル金属水素化物電池（NiMH）が市場に登場しました。 NiMH電池は、NiCd電池よりも寿命が長い傾向があり（製造業者が新しい合金を実験するにつれて寿命が増加し続けます）、カドミウムは有毒であるため、NiMH電池は環境への損傷が少なくなります。
リチウムおよびリチウムイオンバッテリー
リチウムは、最も密度が低く、電気化学ポテンシャルとエネルギー対重量比が最も高い金属です。 そのイオンの低原子量と小さなサイズはまた、それが電池のための理想的な材料を作るだろうことを示唆し、その拡散を加速します。リチウム電池の実験は1912年にG・N・ルイスの下で始まったが、市販のリチウム電池は1970年代まで市場に出てこなかった。CR123A型や3ボルトボタン電池などの3ボルトのリチウム一次電池は、特にカメラや非常に小さなデバイスで広く使用されている。
1980年代にリチウム電池に関する三つの重要な開発が行われ、1980年にはアメリカの化学者ジョン-Bがリチウム電池に関する重要な開発を行った。 GoodenoughはLicoo2陰極（正の鉛）を発見し、モロッコの研究者であるRachid Yazamiは固体電解質を含む黒鉛陽極（負の鉛）を発見しました。 1981年、日本の化学者である山部時夫と矢田静邦は、新しいナノカーボンPAS（ポリアセン）を発見し、従来の液体電解質の陽極に非常に有効であることを発見した。 これにより、旭化成の吉野彰が率いる研究チームは、1985年にリチウム電池の充電式でより安定したバージョンである最初のリチウムイオン電池の試作品を; ソニーは1991年にリチウムイオンバッテリーを商品化した。
1997年、ソニーと旭化成からリチウムポリマーバッテリーが発売された。 これらの電池は液体溶媒の代りに固体ポリマー合成物の電解物を握り、電極および分離器は互いに薄板になります。 後者の相違は意味するそのような電池が特定の装置に合うためにとりわけ形づけることができる堅い金属の包装の代りに適用範囲が広い包むこ この利点は、携帯電話やパーソナルデジタルアシスタントなどの携帯電子機器やラジコン航空機の設計において、より柔軟でコンパクトな設計を可能にするリチウムポリマー電池を支持している。 それらは一般に、通常のリチウムイオン電池よりも低いエネルギー密度を有する。
2019年、John B.Goodenough、M.Stanley Whittingham、吉野彰らがリチウムイオン電池の開発により、2019年のノーベル化学賞を受賞しました。