Eksperimenter
I 1749 Brukte Benjamin Franklin, DEN AMERIKANSKE polymaten og grunnleggeren, først begrepet «batteri» for å beskrive et sett med koblede kondensatorer han brukte til sine eksperimenter med elektrisitet. Disse kondensatorene var paneler av glass belagt med metall på hver overflate. Disse kondensatorene ble ladet med en statisk generator og utladet ved å berøre metall til elektroden. Koble dem sammen i et «batteri» ga en sterkere utladning. Opprinnelig hadde den generiske betydningen av «en gruppe av to eller flere lignende objekter som fungerer sammen», som i et artilleribatteri, kom begrepet til å bli brukt til voltaiske hauger og lignende enheter der mange elektrokjemiske celler ble koblet sammen på Samme måte Som Franklins kondensatorer. I dag kalles selv en enkelt elektrokjemisk celle, aka en tørrcelle, vanligvis et batteri.
Oppfinnelse
Luigi Galvani var en italiensk lege, fysiker, biolog og filosof, som oppdaget dyrelektrisitet. I 1780 oppdaget Han Og Hans kone Lucia at musklene i døde froskers ben rykket da de ble rammet av en elektrisk gnist. Galvani trodde energien som kjørte denne sammentrekningen kom fra selve beinet. Han kalte «dyrelektrisitet» når to forskjellige metaller ble koblet i serie med en froskben og til hverandre.
Men Alessandro Volta – den italienske fysikeren Og kjemikeren – en venn Og medforsker Av Luigi Galvani, var uenig, og trodde at dette fenomenet var forårsaket av to forskjellige metaller sammen med en fuktig mellommann. Han bekreftet denne hypotesen gjennom eksperiment, og publiserte resultatene i 1791. I 1800 Oppfant Volta det første ekte batteriet, som kom til å bli kjent som den voltaiske haugen. Den voltaiske bunken besto av par kobber – og sinkskiver stablet oppå hverandre, adskilt av et lag av klut eller papp fuktet i saltlake (dvs.elektrolytten). I motsetning Til leyden-krukken produserte den voltaiske haugen en kontinuerlig strøm og stabil strøm, og mistet liten ladning over tid når den ikke var i bruk, selv om hans tidlige modeller ikke kunne produsere en spenning som var sterk nok til å produsere gnister. Han eksperimenterte med ulike metaller og fant at sink og sølv ga de beste resultatene.
Volta trodde at strømmen var resultatet av to forskjellige materialer som bare berørte hverandre—en foreldet vitenskapelig teori kjent som kontaktspenning—og ikke resultatet av kjemiske reaksjoner. Som en konsekvens betraktet han korrosjon av sinkplatene som en urelatert feil som kanskje kunne løses ved å endre materialene på en eller annen måte. Imidlertid lyktes ingen forsker noensinne i å forhindre denne korrosjon. Faktisk ble det observert at korrosjon var raskere når en høyere strøm ble trukket. Dette antydet at korrosjon var faktisk integrert i batteriets evne til å produsere en strøm. Dette førte delvis til avvisningen Av Voltas kontaktspenningsteori til fordel for elektrokjemisk teori.
Voltas opprinnelige haugmodeller hadde noen tekniske feil, en av dem involverte elektrolytten lekker og forårsaker kortslutninger på grunn av vekten av platene komprimere saltlake gjennomvåt klut. William Cruickshank, En Skotsk militær kirurg og kjemiker, løste dette problemet ved å legge elementene i en boks i stedet for å pile dem i en stabel. Dette var kjent som trough-batteriet. Volta selv oppfant en variant som besto av en kjede av kopper fylt med en saltløsning, koblet sammen av metallbuer dyppet inn i væsken. Dette var Kjent Som Kronen Av Kopper. Disse buene ble laget av to forskjellige metaller (f. eks sink og kobber) loddet sammen. Denne modellen viste seg også å være mer effektiv enn hans opprinnelige hauger, selv om den ikke viste seg å være så populær.
Et annet problem Med voltas batterier var kort batterilevetid( en times verdi i beste fall), som var forårsaket av to fenomener. Den første var at strømmen produserte elektrolyserte elektrolyttoppløsningen, noe som resulterte i en film av hydrogenbobler som dannes på kobberet, som jevnt økte batteriets indre motstand (denne effekten, kalt polarisasjon, motvirkes i moderne celler ved ytterligere tiltak). Den andre var et fenomen som kalles lokal handling, hvor små kortslutninger ville danne seg rundt urenheter i sinken, noe som førte til at sinkene nedbrytes. Sistnevnte problem ble løst i 1835 av den engelske oppfinneren William Sturgeon, som fant at amalgamert sink, hvis overflate hadde blitt behandlet med noe kvikksølv, ikke lider av lokal handling.
Til tross For sine feil, volta batterier gi en stødigere strøm Enn Leyden krukker, og gjort mulig mange nye eksperimenter og funn, slik som den første elektrolyse av vann av den engelske kirurgen Anthony Carlisle og den engelske kjemikeren William Nicholson.
Første praktiske batterier
Daniell cell
en engelsk professor I kjemi Ved navn John Frederic Daniell fant En måte å løse hydrogenbobleproblemet i Den Voltaiske Bunken ved å bruke en andre elektrolytt for å konsumere hydrogenet produsert av den første. I 1836 oppfant Han Daniell-cellen, som består av en kobberpotte fylt med en kobbersulfatløsning, hvor det er nedsenket en uglasert keramikkbeholder fylt med svovelsyre og en sinkelektrode. Keramikkbarrieren er porøs, noe som gjør at ioner kan passere gjennom, men holder løsningene fra å blande seg.
Daniell-cellen var en stor forbedring i forhold til den eksisterende teknologien som ble brukt i de tidlige dagene av batteriutvikling og var den første praktiske strømkilden. Det gir en lengre og mer pålitelig strøm enn Den Voltaiske cellen. Det er også tryggere og mindre korroderende. Den har en driftsspenning på omtrent 1,1 volt. Det ble snart industristandarden for bruk, spesielt med de nye telegrafnettverkene.
Daniell-cellen ble også brukt som den første arbeidsstandarden for definisjon av volt, som er enheten for elektromotorisk kraft.
Bird ‘ s cell
En versjon Av Daniell cell ble oppfunnet i 1837 Av Guy sykehuslege Golding Bird som brukte en gips Av Paris barriere for å holde løsningene atskilt. Fugles eksperimenter med denne cellen var av betydning for den nye disiplinen elektrometallurgi.
Porøs pot cell
Den porøse pot versjonen Av Daniell cell ble oppfunnet Av John Dancer, En Liverpool instrument maker, i 1838. Den består av en sentral sinkanode dyppet i en porøs keramikkpotte som inneholder en sinksulfatløsning. Den porøse potten er i sin tur nedsenket i en løsning av kobbersulfat inneholdt i en kobberbur, som virker som cellens katode. Bruken av en porøs barriere tillater ioner å passere gjennom, men holder løsningene fra å blande.
Gravity cell
På 1860-tallet oppfant En Franskmann Ved navn Callaud En Variant Av Daniell-cellen kalt gravity cell. Denne enklere versjonen dispensert med den porøse barrieren. Dette reduserer systemets indre motstand, og dermed gir batteriet en sterkere strøm. Det ble raskt batteriet av valg for De Amerikanske og Britiske telegrafnettverkene, og ble mye brukt til 1950-tallet.
gravity cell består av en glassburk, hvor en kobberkatode sitter på bunnen og en sinkanode er suspendert under felgen. Kobbersulfatkrystaller spres rundt katoden og deretter fylles krukken med destillert vann. Når strømmen trekkes, dannes et lag av sinksulfatløsning øverst rundt anoden. Dette topplaget holdes skilt fra det nederste kobbersulfatlaget ved sin lavere tetthet og ved polariteten til cellen.
sinksulfatlaget er klart i motsetning til det dype blå kobbersulfatlaget, noe som gjør det mulig for en tekniker å måle batterilevetiden med et blikk. På den annen side betyr dette oppsettet at batteriet kun kan brukes i et stasjonært apparat, ellers blander eller søler løsningene. En annen ulempe er at en strøm må kontinuerlig trekkes for å holde de to løsningene fra blanding ved diffusjon, så det er uegnet for intermitterende bruk.
poggendorff celle
den tyske forskeren Johann Christian Poggendorff overvant problemene med å skille elektrolytten og depolarisatoren ved hjelp av en porøs keramikkpotte i 1842. I poggendorff-cellen, noen ganger kalt Grenet-Cellen på grunn Av Eugene Grenets verk rundt 1859, er elektrolytten fortynnet svovelsyre og depolarisatoren er kromsyre. De to syrene blandes fysisk sammen, og eliminerer den porøse potten. Den positive elektroden (katoden) er to karbonplater, med en sinkplate (negativ eller anode) plassert mellom dem. På grunn av syreblandingens tendens til å reagere med sinken, er det gitt en mekanisme for å heve sinkelektroden klar av syrene.
cellen gir 1,9 volt. Det viste seg å være populært blant eksperimenter i mange år på grunn av sin relativt høye spenning; større evne til å produsere en konsistent strøm og mangel på røyk, men den relative sårbarheten i det tynne glasshuset og nødvendigheten av å måtte heve sinkplaten når cellen ikke er i bruk, så det til slutt falle ut av favør. Cellen var også kjent som kromsyrecellen, men hovedsakelig som bikromatcellen. Dette siste navnet kom fra praksisen med å produsere kromsyre ved å tilsette svovelsyre til kaliumdikromat, selv om cellen i seg selv ikke inneholder dikromat.
Fuller-cellen ble utviklet fra poggendorff-cellen. Selv om kjemien hovedsakelig er den samme, separeres de to syrene igjen av en porøs beholder og sinken behandles med kvikksølv for å danne et amalgam.
Grove celle
Grove cellen ble oppfunnet Av Waliseren William Robert Grove i 1839. Den består av en sinkanode dyppet i svovelsyre og en platinakatode dyppet i salpetersyre, separert av porøs keramikk. Grove-cellen gir en høy strøm og nesten dobbelt så stor spenning Som Daniell-cellen, noe som gjorde den til den favoriserte cellen Til De Amerikanske telegrafnettverkene for en tid. Men det avgir giftige nitrogenoksid røyk når operert. Spenningen faller også kraftig som ladningen avtar, som ble en forpliktelse som telegraf nettverk vokste mer komplekse. Platinum var og er fortsatt veldig dyrt.
Oppladbare batterier og tørrceller
Bly-syre
inntil dette punktet ville alle eksisterende batterier bli permanent drenert når alle deres kjemiske reaksjoner ble brukt. I 1859 oppfant Gaston Planté blybatteriet, det første batteriet som kunne lades opp ved å sende en omvendt strøm gjennom den. En blysyrecelle består av en blyanode og en blydioksidkatode nedsenket i svovelsyre. Begge elektrodene reagerer med syren for å produsere blysulfat, men reaksjonen ved blyanoden frigjør elektroner mens reaksjonen ved blydioksid forbruker dem, og dermed produserer en strøm. Disse kjemiske reaksjonene kan reverseres ved å føre en omvendt strøm gjennom batteriet, og dermed lade den opp.
Planté første modell besto av to blyplater adskilt av gummistrimler og rullet inn i en spiral. Hans batterier ble først brukt til å drive lysene i togvogner mens stoppet på en stasjon. I 1881 Oppfant Camille Alphonse Faure en forbedret versjon som består av et blygitter som presses inn i en blyoksidpasta som danner en plate. Flere plater kan stables for større ytelse. Denne designen er lettere å masseprodusere.
Sammenlignet med andre batterier, Er Planté ganske tung og stor for mengden energi den kan holde. Det kan imidlertid produsere bemerkelsesverdig store strømmer i overspenning. Den har også svært lav indre motstand, noe som betyr at et enkelt batteri kan brukes til å drive flere kretser.
blybatteriet brukes fortsatt i dag i biler og andre applikasjoner der vekten ikke er en stor faktor. Det grunnleggende prinsippet har ikke endret seg siden 1859. På begynnelsen av 1930-tallet ble en gelelektrolytt (i stedet for en væske) produsert ved å tilsette silika til en ladet celle brukt I LT-batteriet av bærbare vakuumrørradioer. På 1970-tallet ble «forseglede» versjoner vanlige (kjent som en » gelcelle «eller » SLA»), slik at batteriet kunne brukes i forskjellige posisjoner uten feil eller lekkasje.
i dag er celler klassifisert som «primære» hvis de produserer en strøm bare til deres kjemiske reaktanter er oppbrukt, og» sekundære » hvis de kjemiske reaksjonene kan reverseres ved å lade cellen. Bly-syrecellen var den første» sekundære » cellen.
Leclanché celle
I 1866 Oppfant Georges Leclanché et batteri som består av en sinkanode og en mangandioksidkatode innpakket i et porøst materiale, dyppet i en krukke med ammoniumkloridoppløsning. Mangandioxidkatoden har også litt karbon blandet inn i det, noe som forbedrer ledningsevne og absorpsjon. Det ga en spenning på 1,4 volt. Denne cellen oppnådde svært rask suksess i telegrafi, signalering og elektrisk klokke arbeid.
tørrcelleformen ble brukt til å drive tidlige telefoner-vanligvis fra en tilstøtende treboks festet for å passe til batterier før telefoner kunne trekke strøm fra selve telefonlinjen. Leclanché-cellen kan ikke gi en vedvarende strøm i svært lang tid. I lange samtaler, batteriet ville kjøre ned, gjengi samtalen hørbar. Dette skyldes at visse kjemiske reaksjoner i cellen øker den indre motstanden og dermed senker spenningen. Disse reaksjonene reverserer seg når batteriet er tomgang, så det er bare bra for intermitterende bruk.
Sink-karboncelle, den første tørrcellen
mange eksperimenter prøvde å immobilisere elektrolytten til en elektrokjemisk celle for å gjøre den mer praktisk å bruke. Zamboni-bunken av 1812 er et høyspent tørrbatteri, men i stand til å levere bare minutters strømmer. Ulike eksperimenter ble gjort med cellulose, sagflis, spunnet glass, asbestfibre og gelatin.
I 1886 fikk Carl Gassner et tysk patent på En Variant Av Leclanché-cellen, som ble kjent som tørrcellen fordi Den ikke har en fri flytende elektrolytt. I stedet blandes ammoniumklorid med gips I Paris for å lage en pasta, med en liten mengde sinkklorid tilsatt for å forlenge holdbarheten. Mangandioksidkatoden dyppes i denne pastaen, og begge er forseglet i et sinkskall, som også fungerer som anoden. I November 1887 fikk HAN AMERIKANSK Patent 373 064 for den samme enheten.
I Motsetning til tidligere våtceller er Gassners tørrcelle mer solid, krever ikke vedlikehold, søler ikke og kan brukes i alle retninger. Det gir et potensial på 1,5 volt. Den første masseproduserte Modellen var Columbia tørrcelle, først markedsført Av National Carbon Company i 1896. NCC forbedret Gassners modell ved å erstatte gips Fra Paris med kveilet papp, en innovasjon som ga mer plass til katoden og gjorde batteriet enklere å montere. Det var det første praktiske batteriet for massene og gjorde bærbare elektriske enheter praktiske, og førte direkte til oppfinnelsen av lommelykten.
parallelt utviklet Wilhelm Hellesen i 1887 sin egen tørrcelledesign. Det har blitt hevdet At Hellesens design gikk forut For Gassners.
i 1887 ble et tørrbatteri utviklet Av Yai Sakizō Fra Japan, deretter patentert i 1892. I 1893 ble yai Sakizō tørrbatteri utstilt I World ‘ S Columbian Exposition og hadde stor internasjonal oppmerksomhet.
NiCd, Det første alkaliske batteriet
I 1899 oppfant En svensk forsker Ved Navn Waldemar Jungner nikkel-kadmium-batteriet, et oppladbart batteri som har nikkel-og kadmiumelektroder i en kaliumhydroksidløsning; det første batteriet som brukte en alkalisk elektrolytt. Det ble kommersialisert I Sverige i 1910 og nådde Usa i 1946. De første modellene var robuste og hadde betydelig bedre energitetthet enn blybatterier, men var mye dyrere.
det 20. århundre: ny teknologi og ubiquity
Nikkel-jern
Nikkel-jern batterier produsert mellom 1972 og 1975 under «Exide» merkevare, opprinnelig utviklet i 1901 Av Thomas Edison.
Waldemar Jungner patenterte et nikkeljernbatteri i 1899, samme år som Hans Ni–Cad batteripatent, men fant det å være dårligere enn kadmium-motparten, og som en konsekvens plaget Han aldri å utvikle det. Det produserte mye mer hydrogengass når det ble ladet, noe som betyr at det ikke kunne forsegles, og ladeprosessen var mindre effektiv (det var imidlertid billigere).
Thomas Edison jobbet på 1890-tallet med å utvikle et alkalisk basert batteri som Han kunne få patent på. Edison trodde at hvis han produserte lette og slitesterke elbiler ville bli standard, med firmaet som hovedbatterileverandør. Etter mange eksperimenter, og sannsynligvis lånte Fra Jungners design, patenterte Han et alkalisk basert nikkeljernbatteri i 1901. Imidlertid fant kundene sin første modell av det alkaliske nikkeljernsbatteriet å være utsatt for lekkasje som førte til kort batterilevetid, og det overgikk heller ikke blysyrecellen med mye heller. Selv Om Edison var i stand til å produsere en mer pålitelig og kraftig modell syv år senere, hadde den billige Og pålitelige Model T Ford gjort bensinmotorer standarden. Likevel oppnådde edisons batteri stor suksess i andre applikasjoner som elektriske og dieselelektriske jernbanekjøretøyer, som gir reservekraft for jernbaneovergangssignaler, eller for å gi strøm til lampene som brukes i gruver.
vanlige alkaliske batterier
frem til slutten av 1950–tallet fortsatte sink-karbonbatteriet å være et populært primærcellebatteri, men dets relativt lave batterilevetid hindret salget. I 1955 ble en ingeniør Ved Navn Lewis Urry, som jobbet For Union Carbide Ved National Carbon Company Parma Research Laboratory, opptatt av å finne en måte å forlenge levetiden til sink-karbonbatterier, Men Urry bestemte seg i stedet for at alkaliske batterier holdt mer løfte. Inntil da var langvarige alkaliske batterier unfeasibly dyre. Urrys batteri består av en mangandioksidkatode og en pulverisert sinkanode med en alkalisk elektrolytt. Bruk av pulverisert sink gir anoden et større overflateareal. Disse batteriene ble satt på markedet i 1959.
Nikkelhydrogen og nikkelmetallhydrid
nikkelhydrogenbatteriet kom på markedet som et energilagringssystem for kommersielle kommunikasjonssatellitter.
De første nikkelmetallhydrid–batteriene (NiMH) for mindre applikasjoner kom på markedet i 1989 som en variant av 1970–tallet nikkel-hydrogenbatteri. NiMH-batterier har en tendens til å ha lengre levetid enn NiCd-batterier (og levetiden fortsetter å øke ettersom produsenter eksperimenterer med nye legeringer), og Siden kadmium er giftig, Er NiMH-batterier mindre skadelige for miljøet.
Litium-og litiumionbatterier
Litium er metallet med lavest tetthet og med størst elektrokjemisk potensial og energi-til-vekt-forhold. Den lave atomvekten og den lille størrelsen på ionene øker også diffusjonen, noe som tyder på at det ville være et ideelt materiale for batterier.Eksperimentering med litiumbatterier begynte i 1912 under Gn Lewis, men kommersielle litiumbatterier kom ikke til markedet før 1970-tallet. Tre volt litiumbatterier som CR123A-typen og tre volt-knappceller er fortsatt mye brukt, spesielt i kameraer og svært små enheter.
Tre viktige utviklinger angående litiumbatterier skjedde På 1980 – tallet. I 1980, En Amerikansk kjemiker, John B. Goodenough, oppdaget LiCoO2 katoden (positiv bly) og En Marokkansk forsker, Rachid Yazami, oppdaget grafittanoden (negativ bly) med den faste elektrolytten. I 1981 Oppdaget Japanske kjemikere Tokio Yamabe Og Shizukuni Yata en roman nano-karbonacious – pas (polyacen) og fant at den var svært effektiv for anoden i den konvensjonelle flytende elektrolytten. Dette ledet et forskerteam ledet Av Akira Yoshino Fra Asahi Chemical, Japan, for å bygge den første litiumionbatteriprototypen i 1985, en oppladbar og mer stabil versjon av litiumbatteriet; Sony kommersialiserte litiumionbatteriet i 1991.
i 1997 ble litiumpolymerbatteriet utgitt Av Sony Og Asahi Kasei. Disse batteriene holder elektrolytten i et fast polymerkompositt i stedet for i et flytende løsningsmiddel, og elektrodene og separatorene lamineres til hverandre. Den sistnevnte forskjellen gjør at batteriet kan være innkapslet i en fleksibel innpakning i stedet for i et stivt metallhus, noe som betyr at slike batterier kan være spesielt formet for å passe til en bestemt enhet. Denne fordelen har favorisert litiumpolymerbatterier i utformingen av bærbare elektroniske enheter som mobiltelefoner og personlige digitale assistenter, og av radiostyrte fly, da slike batterier tillater mer fleksibel og kompakt design. De har generelt en lavere energitetthet enn vanlige litium-ion-batterier.
I 2019 Ble John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham og Akira Yoshino tildelt Nobelprisen i Kjemi 2019 for deres utvikling av litiumionbatterier.