실험
1749 년,벤자민 프랭클린,미국 박식 하 고 건국의 아버지,먼저 용어”배터리”를 사용 하 여 그가 전기 실험에 사용 하는 연결 된 커패시터의 집합을 설명 합니다. 이 커패시터는 각 표면에 금속으로 코팅 된 유리 패널이었습니다. 이 커패시터는 정적 발전기로 충전하고 자신의 전극에 금속을 만져 배출되었다. “배터리”에 그들을 함께 연결하는 것은 강한 방전을했다. 원래 포병 배터리에서와 같이”두 개 이상의 유사한 물체가 함께 작동하는 그룹”이라는 일반적인 의미를 지닌이 용어는 프랭클린의 커패시터 방식으로 많은 전기 화학 전지가 서로 연결된 동전기 더미 및 유사한 장치에 사용되었습니다. 오늘날 단일 전기 화학 셀,일명 건식 셀조차도 일반적으로 배터리라고합니다.
발명
루이지 갈바니는 동물 전기를 발견 한 이탈리아의 의사,물리학 자,생물 학자 및 철학자였습니다. 1780 년,그와 그의 아내 루시아는 전기 불꽃에 의해 쳤을 때 죽은 개구리’다리의 근육이 꿈틀 것을 발견했다. 갈바니는 이 수축을 일으키는 에너지가 다리 자체에서 온 것이라고 믿었다. 그는 두 개의 다른 금속이 개구리의 다리와 서로 직렬로 연결될 때”동물 전기”라고 명명했습니다.
그러나 알레산드로 볼타–이탈리아의 물리학자이자 화학자-루이지 갈바니의 친구이자 동료 과학자는 이러한 현상이 촉촉한 중개자에 의해 결합 된 두 개의 서로 다른 금속에 의해 발생했다고 믿고 동의하지 않았다. 그는 실험을 통해이 가설을 확인하고 1791 년에 결과를 발표했습니다. 1800 년,볼타는 최초의 진정한 배터리를 발명,이는 동전기 더미로 알려지게되었다. 동전기 더미는 염수(즉,전해질)에 적신 천 또는 판지 층으로 분리 된 서로 위에 쌓인 구리 및 아연 디스크 쌍으로 구성됩니다. 레이덴 항아리와는 달리,동전기 더미 연속 전기와 안정적인 전류를 생산,사용하지 않을 때 시간이 지남에 약간의 전하를 잃었다,그의 초기 모델은 스파크를 생성 할만큼 강한 전압을 생성 할 수 있지만. 그는 다양한 금속을 실험하고 아연과 은이 최상의 결과를 제공한다는 것을 발견했습니다.
볼타는 그 전류가 단순히 서로 접촉하는 두 가지 물질,즉 접촉 장력으로 알려진 구식 과학 이론의 결과이며 화학 반응의 결과가 아니라고 믿었다. 그 결과,그는 아마도 어떻게 든 재료를 변경하여 해결 될 수있는 관련이없는 결함으로 아연 판의 부식을 간주. 그러나 어떤 과학자도 이러한 부식을 방지하는 데 성공하지 못했습니다. 사실,더 높은 전류를 그릴 때 부식이 더 빠르다는 것이 관찰되었습니다. 이 부식은 실제로 전류를 생산하는 배터리의 능력에 필수적인 것을 제안했다. 이것은 부분적으로 전기 화학 이론에 찬성하여 볼타의 접촉 장력 이론을 거부하게되었습니다.
볼타의 원래 파일 모델은 몇 가지 기술적 결함을 가지고 있었다,그 중 하나는 전해질이 누출 인해 염수에 적신 천을 압축 디스크의 무게에 단락을 일으키는 관련. 윌리엄 크룩 생크,스코틀랜드의 군사 외과 의사이자 화학자,스택에 쌓는 대신 상자에 요소를 배치하여이 문제를 해결했습니다. 이 트로프 배터리로 알려졌다. 볼타 자신은 액체에 담근 금속 호에 의해 함께 연결된 소금 용액으로 채워진 컵 체인으로 구성된 변형을 발명했습니다. 이 컵의 왕관으로 알려졌다. 이 호는 함께 납땜 된 두 개의 서로 다른 금속(예:아연 및 구리)으로 만들어졌습니다. 이 모델은 또한 그의 원래 더미보다 더 효율적인 것으로 판명되었지만 인기가 없었습니다.
볼타의 배터리의 또 다른 문제는 짧은 배터리 수명(기껏해야 한 시간의 가치)이었는데,이는 두 가지 현상으로 인한 것입니다. 첫 번째는 생성 된 전류가 전해질 용액을 전기 분해하여 구리에 수소 기포가 형성되어 배터리의 내부 저항이 꾸준히 증가한다는 것입니다(이 효과는 편광이라고하며 추가 조치에 의해 현대 셀에서 상쇄됩니다). 다른 하나는 로컬 액션,분 단락 아연 저하를 일으키는 아연에 불순물 주위 형성 것 이라고 하는 점에서 라는 현상 이었다. 후자의 문제는 1835 년 영국의 발명가 윌리엄 스터전,그의 표면이 일부 수은으로 처리 된 아연을 합친 것이 현지 행동으로 고통받지 않는다는 것을 발견했습니다.
그 결점에도 불구하고 볼타의 배터리는 레이덴 병보다 더 안정된 전류를 제공하고 영국 외과 의사 앤서니 칼라일과 영국 화학자 윌리엄 니콜슨의 첫 번째 물 전기 분해와 같은 많은 새로운 실험과 발견을 가능하게했습니다.
최초의 실용전지
다니엘 셀
존 프레데릭 다니엘이라는 영국 화학 교수는 제 2 전해질을 사용하여 제 1 전지에 의해 생성 된 수소를 소비함으로써 동전기 더미 내의 수소 버블 문제를 해결할 수있는 방법을 발견했다. 1836 년에 그는 황산과 아연 전극으로 채워진 초벌구이 토기 용기를 담그는 황산구리 용액으로 채워진 구리 냄비로 구성된 다니엘 셀을 발명했습니다. 토 기 장벽은 다공성,통과 하는 이온을 허용 하지만 혼합에서 솔루션을 유지.
다니엘셀은 배터리 개발 초기에 사용된 기존 기술에 비해 크게 개선되었으며 최초의 실용적인 전기 공급원이었다. 그것은 동전기 세포 보다는 더 긴 믿을 수 있는 현재를 제공합니다. 그것은 또한 더 안전하고 덜 부식성이 있습니다. 그것은 대략 1.1 볼트의 작동 전압을 가지고 있습니다. 그것은 곧 특히 새로운 전신 네트워크와 함께 사용하기위한 업계 표준이되었습니다.
다니엘 셀은 또한 볼트의 정의에 대한 첫 번째 작업 표준으로 사용되었다,이는 기전력의 단위입니다.
새의 세포
다니엘셀의 버전은 1837 년에 파리 장벽 석고를 사용하여 솔루션을 분리 한 골딩 버드에 의해 발명되었습니다. 이 세포에 대한 새의 실험은 새로운 전기 야금 분야에 어느 정도 중요했습니다.
다공성 냄비 셀
다니엘 셀의 다공성 냄비 버전은 존 댄서에 의해 발명되었다,리버풀 악기 메이커,에 1838. 그것은 황산 아연 용액을 함유 한 다공성 토기 냄비에 담근 중앙 아연 양극으로 구성됩니다. 다공성 냄비는 차례로 구리 캔에 포함 된 황산구리 용액에 침지되어 셀의 음극 역할을합니다. 다공성 장벽의 사용은 이온이 통과하는 것을 허용하고 그러나 섞기에서 해결책을 지킵니다.
중력 세포
1860 년대에 칼라우드라는 프랑스 인이 중력 세포라고 불리는 다니엘 세포의 변형을 발명했습니다. 이 간단한 버전은 다공성 장벽을 생략. 이 시스템의 내부 저항을 감소시키고,따라서,배터리는 강한 전류를 산출한다. 그것은 빠르게 미국과 영국의 전신 네트워크에 대한 선택의 배터리가되었고,1950 년대까지 널리 사용되었다.
중력 전지는 구리 음극이 바닥에 앉고 아연 양극이 림 아래에 매달려있는 유리 병으로 구성되어 있습니다. 구리 황산염 결정은 음극선의 주위에 뿌려지고 그 후에 물기는 증류수로 채워집니다. 전류가 그려지면 양극 주위의 상단에 황산 아연 용액 층이 형성됩니다. 이 상단 층은 낮은 밀도와 셀의 극성에 의해 하단 황산구리 층과 분리되어 유지됩니다.
황산 아연 층은 기술자가 한눈에 배터리 수명을 측정 할 수 있도록 깊고 푸른 구리 황산염 층과는 대조적으로 명확합니다. 이와 반대로,이 체제는 건전지가 정지되는 기구,그밖에 해결책 혼합 또는 유출에서서만 이용될 수 있다는 것을 의미합니다. 또 다른 단점은 두 용액이 확산에 의해 혼합되지 않도록 전류를 지속적으로 끌어 당겨야하기 때문에 간헐적으로 사용하기에 적합하지 않다는 것입니다.
포겐도르프 셀
독일 과학자 요한 크리스티안 포겐도르프는 1842 년 다공성 토기 냄비를 사용하여 전해질과 탈분극제를 분리하는 문제를 극복했다. 에 포겐 도르프 세포,때로는 그레 네트 세포 1859 년경 유진 그레 네트의 작업으로 인해 전해질은 묽은 황산이고 탈분극제는 크롬산입니다. 두 산은 물리적으로 다공성 냄비를 제거,함께 혼합된다. 양극(음극)은 두 개의 탄소 판이며 아연 판(음극 또는 양극)이 그 사이에 위치합니다. 산성 혼합물이 아연과 반작용하는 추세 때문에,기계장치는 산의 명확한 아연 전극을 올리기 위하여 제공됩니다.
셀은 1.9 볼트를 제공합니다. 그것은 그것의 상대적으로 높은 전압으로 인해 몇 년 동안 실험자와 함께 인기 입증;일관된 전류와 어떤 연기의 부족을 생산하는 큰 능력,하지만 얇은 유리 인클로저의 상대적 취약성과 세포가 사용하지 않을 때 아연 판을 올릴 필요성의 필요성은 결국 호의에서 가을 보았다. 이 세포는’크롬산 세포’라고도 알려져 있었지만 주로’중크롬산 세포’로 알려져 있습니다. 이 후자의 이름은 세포 자체에 중크롬산염이 포함되어 있지 않더라도 중크롬산 칼륨에 황산을 첨가하여 크롬산을 생산하는 관행에서 유래했습니다.
풀러 세포는 포겐도르프 세포로부터 개발되었다. 화학이 주로 동일하더라도,2 개의 산은 다공성 콘테이너에 의해 다시 한번 분리되고 아말감을 형성하기 위하여 아연은 수은으로 대우됩니다.
그 로브 셀
그 로브 셀은 1839 년 웰시 먼 윌리엄 로버트 그 로브에 의해 발명되었다. 그것은 황산에 담근 아연 양극과 다공성 토기로 분리 된 질산에 담근 백금 음극으로 구성됩니다. 그 로브 셀은 다니엘 셀의 고전류 및 거의 두 배의 전압을 제공하여 미국 전신 네트워크의 선호 셀로 만들었습니다. 그러나 작동 할 때 유독 한 산화 질소 가스를 방출합니다. 전하가 점감하는 때 전압은 또한 예리하게 떨어진다,전신 네트워크가 더 복잡한 성장한 대로 책임이 된. 백금은 여전히 매우 비싸다.
충전식 배터리 및 드라이 셀
납산
이 시점까지 모든 기존 배터리는 모든 화학 반응이 소비 될 때 영구적으로 소모됩니다. 1859 년 가스통 공장은 납산 배터리를 발명했습니다.이 배터리는 역전류를 통과시켜 재충전 할 수있는 최초의 배터리입니다. 납산 전지는 납 양극과 황산에 침지된 이산화 납 음극으로 구성된다. 두 전극 다 산으로 생성 지도 황산염에 반작용합니다,그러나 지도 양극에 반응은 이산화 지도에 반응이 그(것)들을 소모하는 동안 전자를 풀어 놓아서,따라서 현재를 일으키기. 이러한 화학 반응은 배터리를 통해 역전류를 통과시켜 재충전함으로써 역전 될 수 있습니다.
공장 제 1 차 모델은 고무 스트립으로 분리 된 두 개의 리드 시트로 구성되고 나선형으로 굴러 갔다. 그의 배터리는 역에서 멈춘 상태에서 기차 마차에서 조명을 켜는 데 처음 사용되었습니다. 1881 년,카밀 알폰스 포레 판을 형성,산화 납 페이스트를 가압되는 리드 그리드 격자로 구성 개선 된 버전을 발명했다. 더 큰 성능을 위해 여러 판을 쌓을 수 있습니다. 이 디자인은 대량 생산하기가 더 쉽습니다.
다른 배터리에 비해,공장 제 2 의는 보유 할 수있는 에너지의 양을 위해 오히려 무겁고 부피가 크다. 그러나 서지에서 현저하게 큰 전류를 생성 할 수 있습니다. 또한 내부 저항이 매우 낮기 때문에 단일 배터리를 사용하여 여러 회로에 전원을 공급할 수 있습니다.
납산 배터리는 무게가 큰 요인이 아닌 자동차 및 기타 응용 분야에서 오늘날에도 여전히 사용됩니다. 기본 원칙은 1859 년 이후 변경되지 않았습니다. 1930 년대 초,충전 된 셀에 실리카를 첨가하여 생성 된 겔 전해질(액체 대신)이 휴대용 진공관 라디오의 중위 배터리에 사용되었습니다. 1970 년대에는”봉인 된”버전이 일반적으로되어(일반적으로”젤 셀”또는”슬라”로 알려짐)배터리를 고장이나 누출없이 다른 위치에서 사용할 수 있습니다.
오늘날 세포는 화학적 반응물이 소진 될 때까지만 전류를 생성하는 경우”1 차”로 분류되고,화학 반응이 세포를 재충전함으로써 역전 될 수있는 경우”2 차”로 분류됩니다. 납산 세포는 최초의”2 차”세포였습니다.
르클랜 셀
1866 년,조르주 르클랜 셀은 염화 암모늄 용액의 항아리에 담근 다공성 물질에 싸여 아연 양극과 이산화망간 음극으로 구성된 배터리를 발명했다. 이산화망간 음극선에는 전도도와 흡수를 개량하는 그것으로 또한 섞인 조금 탄소가 있습니다. 그것은 1.4 볼트의 전압을 제공했다. 이 셀은 전신,신호 및 전기 벨 작업에서 매우 빠른 성공을 거두었습니다.
드라이 셀 형태는 초기 전화기에 전원을 공급하는 데 사용되었습니다—일반적으로 전화가 전화선 자체에서 전력을 공급하기 전에 배터리에 맞게 부착 된 인접한 나무 상자에서. 르클랑크 셀은 매우 오랫동안 지속된 전류를 제공할 수 없다. 긴 대화에서,배터리가 들리지 대화를 렌더링,아래로 실행됩니다. 이는 셀의 특정 화학 반응이 내부 저항을 증가시켜 전압을 낮추기 때문입니다. 배터리가 유휴 상태 일 때 이러한 반응은 자신을 반전,그래서 그것은 단지 간헐적 인 사용을 위해 좋다.
아연-탄소 전지,첫 번째 건조 전지
많은 실험자들이 전기 화학 셀의 전해질을 고정시켜보다 편리하게 사용하려고했습니다. 1812 의 잠 보니 더미는 고전압 건전지 만 분 전류를 제공 할 수있다. 셀룰로오스,톱밥,방적 유리,석면 섬유 및 젤라틴으로 다양한 실험이 이루어졌습니다.
1886 년,카를 가스너는 르클랑크 셀의 변이체에 대한 독일 특허를 획득했는데,이는 유리 액체 전해질이 없기 때문에 건조 세포로 알려지게 되었다. 대신,염화 암모늄은 붙여 넣기를 만들 파리의 석고와 혼합,염화 아연의 작은 양의 수명을 연장하기 위해 추가. 이산화망간 음극은 이 풀에서 담궈지고,둘 다 또한 양극으로 작동하는 아연 포탄에서 밀봉됩니다. 1887 년 11 월 그는 동일한 장치에 대한 미국 특허 373,064 를 획득했습니다.
이전의 습식 셀과 달리 가스너의 건식 셀은 더 단단하고 유지 보수가 필요 없으며 유출되지 않으며 어떤 방향으로도 사용할 수 있습니다. 그것은 1.5 볼트의 잠재력을 제공합니다. 최초의 대량 생산 모델은 컬럼비아 드라이 셀,1896 년 국립 탄소 회사에 의해 처음 판매되었습니다. 파리 석고를 코일 판지로 교체함으로써 가스너의 모델을 개선했다. 그것은 대중을위한 최초의 편리한 배터리 였고 휴대용 전기 장치를 실용적으로 만들었고 손전등의 발명으로 직접 이끌었습니다.
동시에,1887 년 빌헬름 헬레센은 자신의 드라이 셀 디자인을 개발했습니다. 헬레센의 디자인은 가스너의 디자인보다 앞섰다고 주장되었다.
1887 년 일본의 야이 사키즈 씨에 의해 드라이배터리가 개발되었고,1892 년에 특허를 받았다. 1893 년,야이 사키즈 씨의 드라이배터리 는 세계 콜럼버스 박람회에 전시되어 국제적인 관심을 끌었다.
니켈 카드뮴,첫 번째 알카라인 배터리
1899 년,발데마르 융너라는 스웨덴 과학자는 니켈–카드뮴 배터리,수산화 칼륨 용액에 니켈과 카드뮴 전극을 갖는 충전식 배터리;알칼리 전해질을 사용하는 최초의 배터리. 1910 년 스웨덴에서 상용화되었고 1946 년 미국에 도착했다. 첫 번째 모델은 강력한했고 납 축전지보다 훨씬 더 나은 에너지 밀도를 가지고 있지만,훨씬 더 비쌌다.
20 세기: 새로운 기술과 편재
니켈-철
니켈-철 배터리는 원래 토마스 에디슨에 의해 1901 년에 개발 된”엑시드”브랜드로 1972 년과 1975 년 사이에 제조.
발데마 정너는 1899 년에 니켈–철전지를 특허하였는데,같은 해에 니켈-캐드전지 특허로 특허하였지만,카드뮴 특허보다 열등하다는 것을 알게 되었고,그 결과 개발하는데 전혀 방해가 되지 않았다. 그것은 충전 될 때 더 많은 수소 가스를 생성하여 밀봉 할 수 없었으며 충전 과정은 덜 효율적이었습니다(그러나 더 저렴했습니다).
이미 경쟁적인 납산 배터리 시장에서 수익을 창출 할 수있는 방법을 본 토마스 에디슨은 1890 년대에 특허를 얻을 수있는 알칼리성 배터리 개발에 종사했습니다. 에디슨은 가볍고 내구성있는 배터리 전기 자동차를 생산한다면 주요 배터리 공급 업체로 그의 회사와 함께 표준이 될 것이라고 생각했습니다. 많은 실험 후,아마도 정너의 디자인에서 빌려,그는 1901 년에 알칼리 기반의 니켈-철 배터리 특허. 그러나,고객은 알칼리 니켈-철 배터리의 첫 번째 모델은 짧은 배터리 수명으로 이어지는 누설하는 경향이 발견,그리고 훨씬 중 하나에 의해 납-산 셀을 능가하지 않았다. 에디슨은 7 년 후보다 안정적이고 강력한 모델을 생산할 수 있었지만,이 시간까지 저렴하고 신뢰할 수있는 모델 티 포드 가솔린 엔진 자동차를 표준으로 만들었습니다. 그럼에도 불구하고 에디슨의 배터리는 전기 및 디젤 전기 철도 차량과 같은 다른 응용 분야에서 큰 성공을 거두었으며 철도 건널목 신호에 백업 전력을 제공하거나 광산에 사용되는 램프에 전력을 공급했습니다.
일반 알카라인 배터리
1950 년대 후반까지 아연-탄소 배터리는 계속 인기있는 1 차 전지 배터리이지만 상대적으로 낮은 배터리 수명은 판매를 방해했습니다. 1955 년,국립 탄소 회사 파르마 연구소에서 유니온 카바이드에 근무 루이스 우리라는 이름의 엔지니어는 아연-탄소 배터리의 수명을 연장 할 수있는 방법을 찾는 임무를했다,그러나 우리 대신 알카라인 배터리가 더 많은 약속을 개최하기로 결정했다. 그때까지,더 오래 지속되는 알카라인 배터리는 엄청나게 비쌌습니다. 우리의 배터리는 이산화 망간 음극과 알칼리성 전해질이 함유 된 분말 아연 양극으로 구성됩니다. 강화한 아연을 사용하여 양극에 더 중대한 표면을 줍니다. 이 배터리는 1959 년에 시장에 출시되었습니다.
니켈-수소 및 니켈 금속-수 소화물
니켈-수소 배터리는 상업용 통신 위성을위한 에너지 저장 서브 시스템으로 시장에 진입했습니다.
더 작은 신청을 위한 첫번째 소비자 급료 니켈 금속 수소화물 건전지(니켈 수소)는 1989 년에 1970 년대 니켈 수소 건전지의 변이로 시장에 나타났습니다. 니켈 수소 배터리는 니켈 카드뮴 배터리보다 수명이 더 긴 경향이 있으며(제조업체가 새로운 합금을 실험함에 따라 수명이 계속 증가 함)카드뮴은 독성이 있기 때문에 니켈 수소 배터리는 환경에 덜 해를 끼칩니다.
리튬 및 리튬 이온 배터리
리튬은 밀도가 가장 낮고 전기 화학적 전위 및 에너지 대 중량 비율이 가장 큰 금속입니다. 그 이온의 낮은 원자량과 작은 크기는 또한 배터리에 대한 이상적인 재료를 만들 것이라고 제안,그 확산 속도가 빨라집니다.리튬을 사용한 실험은 1912 년 지엔 루이스에서 시작되었지만,1970 년대까지 상용 리튬 배터리는 출시되지 않았다.
리튬 배터리에 관한 세 가지 중요한 발전은 1980 년대에 발생했습니다. 음극(양성 납)과 모로코 연구 과학자 라치드 야자 미,고체 전해질로 흑연 양극(음극 납)을 발견했습니다. 1981 년 일본의 화학자 야마베 토키오 과 야타 시즈쿠니 새로운 나노 탄화 파(폴리아센)를 발견하고 종래의 액체 전해질의 양극에 매우 효과적이라는 것을 발견했습니다. 이 1985 년 최초의 리튬 이온 배터리 프로토 타입을 구축,아사히 화학,일본의 아키라 요시노에 의해 관리되는 연구팀을 주도,리튬 배터리의 충전 및보다 안정적인 버전; 소니는 1991 년 리튬 이온 배터리를 상용화했다.
1997 년 소니와 아사히 카세이가 리튬 폴리머 배터리를 출시했다. 이 배터리는 액체 용매 대신 고체 고분자 합성물에 자신의 전해질을 잡고,전극 및 분리기는 서로 적층된다. 후자의 차이점은 배터리를 단단한 금속 케이싱 대신 유연한 포장으로 감쌀 수있게하며,이는 이러한 배터리가 특정 장치에 맞게 특별히 형성 될 수 있음을 의미합니다. 이러한 장점은 휴대 전화 및 개인 디지털 보조 장치와 같은 휴대용 전자 장치 및 무선 조종 항공기의 설계에서 리튬 폴리머 배터리를 선호하여 이러한 배터리가보다 유연하고 컴팩트 한 디자인을 가능하게합니다. 그들은 일반적으로 일반 리튬 이온 배터리보다 낮은 에너지 밀도를 가지고있다.
2019 년 존 비 굿 나프,엠 스탠리 휘팅엄,요시노 아키라는 리튬 이온 배터리 개발로 2019 년 노벨 화학상을 수상했습니다.