experimenten
in 1749 gebruikte Benjamin Franklin, de Amerikaanse polymath en grondlegger, voor het eerst de term “batterij” om een set gekoppelde condensatoren te beschrijven die hij gebruikte voor zijn experimenten met elektriciteit. Deze condensatoren waren panelen van glas bekleed met metaal op elk oppervlak. Deze condensatoren werden opgeladen met een statische generator en ontladen door metaal aan te raken aan hun elektrode. Het koppelen van hen aan elkaar in een” batterij ” gaf een sterkere ontlading. Oorspronkelijk had de generieke betekenis van “een groep van twee of meer soortgelijke objecten die samen functioneren”, zoals in een artilleriebatterij, de term kwam te worden gebruikt voor voltaïsche palen en soortgelijke apparaten waarin veel elektrochemische cellen werden verbonden op de manier van Franklin ‘ s condensatoren. Tegenwoordig wordt zelfs een enkele elektrochemische cel, ook wel een droge cel genoemd.Luigi Galvani was een Italiaanse arts, natuurkundige, bioloog en filosoof, die de elektriciteit van dieren ontdekte. In 1780 ontdekten hij en zijn vrouw Lucia dat de spieren van dode kikkerbilletjes trillen wanneer ze door een elektrische vonk worden getroffen. Galvani geloofde dat de energie die deze samentrekking dreef van het been zelf kwam. Hij noemde “dierlijke elektriciteit” toen twee verschillende metalen in serie werden verbonden met een kikkerbeen en met elkaar.Alessandro Volta – de Italiaanse natuurkundige en chemicus – een vriend en collega-wetenschapper van Luigi Galvani, was het daar echter niet mee eens, omdat hij geloofde dat dit fenomeen werd veroorzaakt door twee verschillende metalen die door een vochtige tussenpersoon met elkaar verbonden waren. Hij verifieerde deze hypothese door middel van experimenten en publiceerde de resultaten in 1791. In 1800 vond Volta de eerste echte batterij uit, die bekend werd als de voltaïsche stapel. De voltaïsche stapel bestond uit paren koper-en zinkschijven op elkaar gestapeld, gescheiden door een laag doek of karton gedrenkt in pekel (dat wil zeggen, de elektrolyt). In tegenstelling tot de Leidse pot produceerde de voltaïsche paal een continue elektriciteit en stabiele stroom, en verloor hij in de loop van de tijd weinig lading wanneer hij niet in gebruik was, hoewel zijn vroege modellen geen spanning konden produceren die sterk genoeg was om vonken te produceren. Hij experimenteerde met verschillende metalen en vond dat zink en zilver de beste resultaten gaven.
Volta geloofde dat de stroom het resultaat was van twee verschillende materialen die elkaar gewoon raakten—een verouderde wetenschappelijke theorie bekend als contactspanning—en niet het resultaat van chemische reacties. Als gevolg daarvan beschouwde hij de corrosie van de zinkplaten als een niet-gerelateerde fout die misschien kon worden opgelost door de materialen op de een of andere manier te veranderen. Echter, geen enkele wetenschapper is er ooit in geslaagd om deze corrosie te voorkomen. In feite werd waargenomen dat de corrosie sneller was wanneer een hogere stroom werd getrokken. Dit suggereerde dat de corrosie eigenlijk een integraal onderdeel was van het vermogen van de batterij om een stroom te produceren. Dit leidde deels tot de afwijzing van Volta ‘ s contactspanningstheorie ten gunste van de elektrochemische theorie.De oorspronkelijke paalmodellen van Volta hadden enkele technische gebreken, waaronder het lekken van elektrolyt en het veroorzaken van kortsluiting door het gewicht van de schijven die de gepekelde doek samenpersen. William Cruickshank, een Schotse militaire chirurg en chemicus, loste dit probleem op door de elementen in een doos te leggen in plaats van ze in een stapel te stapelen. Dit stond bekend als de trogbatterij. Volta zelf bedacht een variant die bestond uit een keten van bekers gevuld met een zoutoplossing, met elkaar verbonden door metalen bogen ondergedompeld in de vloeistof. Dit stond bekend als de kroon der bekers. Deze bogen zijn gemaakt van twee verschillende metalen (bijv. zink en koper) aan elkaar gesoldeerd. Dit model bleek ook efficiënter te zijn dan zijn originele palen, hoewel het niet zo populair bleek te zijn.
een ander probleem met Volta ‘ s batterijen was de korte levensduur van de batterij (maximaal een uur), die werd veroorzaakt door twee verschijnselen. De eerste was dat de stroom geproduceerd elektrolyzed de elektrolytenoplossing, wat resulteert in een film van waterstofbellen vorming op het koper, die gestaag verhoogde de interne weerstand van de batterij (dit effect, genaamd polarisatie, wordt tegengegaan in moderne cellen door extra maatregelen). De andere was een fenomeen genaamd lokale actie, waarbij minuscule kortsluitingen zouden vormen rond onzuiverheden in het zink, waardoor het zink afbreekt. Dit laatste probleem werd in 1835 opgelost door de Engelse uitvinder William Sturgeon, die ontdekte dat amalgamaat zink, waarvan het oppervlak was behandeld met wat kwik, geen last had van lokale actie.Ondanks zijn gebreken zorgen Volta ‘ s Batterijen voor een stabielere stroom dan Leyden potten, en maakten ze vele nieuwe experimenten en ontdekkingen mogelijk, zoals de eerste elektrolyse van water door de Engelse chirurg Anthony Carlisle en de Engelse chemicus William Nicholson.
first practical batteries
Daniell cell
een Engelse professor in de scheikunde, John Frederic Daniell, vond een manier om het probleem van de waterstofbel in de voltaïsche stapel op te lossen door een tweede elektrolyt te gebruiken om de waterstof te verbruiken die door de eerste wordt geproduceerd. In 1836 vond hij de Daniell cell uit, die bestaat uit een koperen pot gevuld met een kopersulfaatoplossing, waarin een ongeglazuurd aardewerk container gevuld met zwavelzuur en een zinkelektrode wordt ondergedompeld. De aardewerkbarrière is poreus, waardoor ionen erdoor kunnen, maar de oplossingen niet kunnen mengen.
de Daniell cell was een grote verbetering ten opzichte van de bestaande technologie die werd gebruikt in de begindagen van de batterijontwikkeling en was de eerste praktische bron van elektriciteit. Het zorgt voor een langere en betrouwbaarder stroom dan de voltaïsche cel. Het is ook veiliger en minder corrosief. Het heeft een bedrijfsspanning van ongeveer 1,1 Volt. Het werd al snel de industriestandaard voor gebruik, vooral met de nieuwe telegraafnetwerken.
de Daniell-cel werd ook gebruikt als de eerste werknorm voor de definitie van de volt, de eenheid van de elektromotorische kracht.Bird ‘ s cell
een versie van de Daniell cell werd in 1837 uitgevonden door de ziekenhuisarts van de man, Golding Bird, die een pleister van de Parijse barrière gebruikte om de oplossingen gescheiden te houden. Bird ‘ s experimenten met deze cel waren van enig belang voor de nieuwe discipline van de elektrometallurgie.
poreuze potcel
de poreuze potversie van de Daniell cell werd uitgevonden door John Dancer, een instrumentenmaker uit Liverpool, in 1838. Het bestaat uit een centrale zinkanode gedompeld in een poreuze aardewerk pot met een zinksulfaat oplossing. De poreuze pot wordt op zijn beurt ondergedompeld in een oplossing van kopersulfaat in een koperen blik, die fungeert als de kathode van de cel. Het gebruik van een poreuze barrière laat ionen passeren, maar voorkomt dat de oplossingen mengen.In de jaren 1860 vond een Fransman genaamd Callaud een variant van de Daniellcel uit, genaamd de gravity cell. Deze eenvoudiger versie afgezien van de poreuze barrière. Hierdoor wordt de interne weerstand van het systeem verminderd en levert de batterij een sterkere stroom op. Het werd al snel de batterij bij uitstek voor de Amerikaanse en Britse telegraafnetwerken, en werd veel gebruikt tot de jaren 1950.
de zwaartekrachtcel bestaat uit een glazen pot, waarin een koperen kathode op de bodem zit en een zinkanode onder de rand hangt. Kopersulfaatkristallen worden rond de kathode verspreid en vervolgens wordt de pot gevuld met gedestilleerd water. Als de stroom wordt getrokken, vormt zich een laag zinksulfaat oplossing aan de bovenkant rond de anode. Deze toplaag wordt gescheiden gehouden van de onderste kopersulfaatlaag door zijn lagere dichtheid en door de polariteit van de cel.
de zinksulfaatlaag is duidelijk in tegenstelling tot de diepblauwe kopersulfaatlaag, waardoor een technicus de levensduur van de batterij met een oogopslag kan meten. Aan de andere kant betekent deze opstelling dat de batterij alleen in een stilstaand apparaat kan worden gebruikt, anders vermengt of morst de oplossing. Een ander nadeel is dat een stroom voortdurend moet worden aangetrokken om te voorkomen dat de twee oplossingen door diffusie worden gemengd, zodat deze niet geschikt is voor intermitterend gebruik.
Poggendorff cel
de Duitse wetenschapper Johann Christian Poggendorff overwon de problemen met het scheiden van de elektrolyt en de depolarisator met behulp van een poreuze aardewerk pot in 1842. In de Poggendorff-cel, soms Grenet-cel genoemd door de werken van Eugene Grenet rond 1859, is de elektrolyt verdund zwavelzuur en de depolarisator chroomzuur. De twee zuren worden fysiek met elkaar gemengd, waardoor de poreuze pot wordt geëlimineerd. De positieve elektrode (kathode) is twee koolstofplaten, met een zinkplaat (negatief of anode) geplaatst tussen hen. Vanwege de neiging van het zuurmengsel om te reageren met het zink, is een mechanisme voorzien om de zinkelektrode vrij van de zuren te verhogen.
de cel levert 1,9 volt. Hij bleek jarenlang populair bij de onderzoekers vanwege zijn relatief hoge spanning; grotere capaciteit om een gelijkmatige stroom te produceren en gebrek aan dampen, maar de relatieve kwetsbaarheid van zijn dunne glazen behuizing en de noodzaak om de zinkplaat te verhogen wanneer de cel niet in gebruik is, hebben hem uiteindelijk uit de gratie doen vallen. De cel stond ook bekend als de’ chroomzuurcel’, maar voornamelijk als de’bichromaatcel’. Deze laatste naam kwam van de praktijk van het produceren van het chroomzuur door zwavelzuur toe te voegen aan kaliumdichromaat, hoewel de cel zelf geen dichromaat bevat.
de vollere cel is ontwikkeld uit de Poggendorff-cel. Hoewel de chemie hoofdzakelijk hetzelfde is, worden de twee zuren opnieuw gescheiden door een poreuze container en wordt het zink behandeld met kwik om een amalgaam te vormen.De Grove cell werd uitgevonden door Welshman William Robert Grove in 1839. Het bestaat uit een zinkanode ondergedompeld in zwavelzuur en een platina kathode ondergedompeld in salpeterzuur, gescheiden door poreus aardewerk. De Grove cel biedt een hoge stroom en bijna twee keer de spanning van de Daniell cel, waardoor het de favoriete cel van de Amerikaanse Telegraaf netwerken voor een tijd. Echter, het geeft giftige stikstofmonoxide dampen wanneer gebruikt. De spanning daalt ook sterk naarmate de lading afneemt, wat een last werd naarmate telegraafnetwerken complexer werden. Platina was en is nog steeds erg duur.
Oplaadbare batterijen en droge cellen
loodzuur
tot dit punt zouden alle bestaande batterijen permanent leeglopen wanneer alle chemische reacties waren opgebruikt. In 1859 vond Gaston Planté de loodzuuraccu uit, de allereerste accu die kon worden opgeladen door er een omgekeerde stroom doorheen te voeren. Een loodzuurcel bestaat uit een loodanode en een looddioxidekathode ondergedompeld in zwavelzuur. Beide elektroden reageren met het zuur om loodsulfaat te produceren, maar de reactie bij de loodanode geeft elektronen vrij terwijl de reactie bij het looddioxide hen verbruikt, waardoor een stroom wordt geproduceerd. Deze chemische reacties kunnen worden omgekeerd door een omgekeerde stroom door de batterij te voeren, waardoor deze wordt opgeladen.Het eerste model van Planté bestond uit twee loden platen, gescheiden door rubberen strips en in een spiraal gerold. Zijn batterijen werden voor het eerst gebruikt om de lichten in treinwagons aan te drijven terwijl hij stopte bij een station. In 1881 vond Camille Alphonse Faure een verbeterde versie uit die bestaat uit een loodrooster waarin een loodoxidepasta wordt geperst, waardoor een plaat wordt gevormd. Meerdere platen kunnen worden gestapeld voor betere prestaties. Dit ontwerp is gemakkelijker in massa te produceren.
in vergelijking met andere batterijen is Planté ‘ s vrij zwaar en omvangrijk voor de hoeveelheid energie die het kan vasthouden. Het kan echter opmerkelijk grote stromen produceren in pieken. Het heeft ook een zeer lage interne weerstand, wat betekent dat een enkele batterij kan worden gebruikt om meerdere circuits van stroom te voorzien.
de loodaccu wordt nog steeds gebruikt in auto ‘ s en andere toepassingen waar het gewicht geen grote factor is. Het basisprincipe is sinds 1859 niet veranderd. In de vroege jaren 1930 werd een gelelektrolyt (in plaats van een vloeistof) geproduceerd door silica toe te voegen aan een geladen cel gebruikt in de LT-batterij van draagbare vacuümbuisradio ‘ s. In de jaren zeventig werden “verzegelde” versies algemeen (algemeen bekend als een” gelcel “of” SLA”), waardoor de batterij in verschillende posities kon worden gebruikt zonder storing of lekkage.
vandaag worden cellen geclassificeerd als “primair” indien zij een stroom produceren totdat hun chemische reagentia zijn uitgeput, en als “secundair” indien de chemische reacties kunnen worden teruggedraaid door de cel op te laden. De loodzuurcel was de eerste “secundaire” cel.
leclanchécel
in 1866 vond Georges Leclanché een batterij uit die bestaat uit een zinkanode en een mangaandioxidekathode verpakt in een poreus materiaal, gedompeld in een pot ammoniumchlorideoplossing. De mangaandioxide kathode heeft een beetje koolstof gemengd in het ook, wat de geleidbaarheid en absorptie verbetert. Het leverde een spanning van 1,4 volt. Deze cel bereikte zeer snel succes in telegrafie, signaleren en elektrische bel werken.
de droge celvorm werd gebruikt om vroege telefoons van stroom te voorzien—meestal uit een aangrenzende houten doos die werd aangebracht om batterijen te plaatsen voordat telefoons stroom konden halen uit de telefoonlijn zelf. De leclanché cel kan niet zorgen voor een aanhoudende stroom voor zeer lang. In lange gesprekken zou de batterij leeglopen, waardoor het gesprek onhoorbaar werd. Dit komt omdat bepaalde chemische reacties in de cel de interne weerstand verhogen en dus de spanning verlagen. Deze reacties keren zichzelf om wanneer de batterij inactief wordt gelaten, dus het is alleen goed voor intermitterend gebruik.
zink-koolstofcel, de eerste droge cel
veel onderzoekers probeerden de elektrolyt van een elektrochemische cel te immobiliseren om het gebruik ervan gemakkelijker te maken. De Zamboni stapel van 1812 is een hoogspanning droge batterij, maar in staat om slechts minieme stromen te leveren. Verschillende experimenten werden uitgevoerd met cellulose, zaagsel, gesponnen glas, asbestvezels en gelatine.In 1886 verkreeg Carl Gassner een Duits patent op een variant van de leclanchécel, die bekend werd als de droge cel omdat deze geen vrije vloeibare elektrolyt heeft. In plaats daarvan wordt het ammoniumchloride gemengd met gips van Parijs om een pasta te maken, met een kleine hoeveelheid zinkchloride toegevoegd om de houdbaarheid te verlengen. De mangaandioxide kathode wordt gedompeld in deze pasta, en beide zijn verzegeld in een zink shell, die ook fungeert als de anode. In november 1887 verkreeg hij US Patent 373.064 voor hetzelfde apparaat.
in tegenstelling tot eerdere natte cellen is de droge cel van Gassner vaster, heeft geen onderhoud nodig, morst niet en kan in elke richting worden gebruikt. Het biedt een potentiaal van 1,5 volt. Het eerste in massa geproduceerde model was de Columbia dry cell, voor het eerst op de markt gebracht door de National Carbon Company in 1896. De NCC verbeterde het model van Gassner door het gips van Parijs te vervangen door opgerold karton, een innovatie die meer ruimte liet voor de kathode en de batterij gemakkelijker te monteren maakte. Het was de eerste handige batterij voor de massa ‘ s en maakte draagbare elektrische apparaten praktisch, en leidde rechtstreeks tot de uitvinding van de zaklamp.Tegelijkertijd ontwikkelde Wilhelm Hellesen in 1887 zijn eigen ontwerp voor droge cellen. Er wordt beweerd dat Hellesen ‘ s ontwerp vooraf ging aan dat van Gassner.In 1887 werd een dry-battery ontwikkeld door Yai Sakizō uit Japan, en in 1892 gepatenteerd. In 1893 werd de droogbatterij van Yai Sakizō tentoongesteld op de Wereldtentoonstelling in Colombia en kreeg veel internationale aandacht.Nicd, de eerste alkalinebatterij
in 1899 vond een Zweedse wetenschapper genaamd Waldemar Jungner de nikkel–cadmiumbatterij uit, een oplaadbare batterij met nikkel – en cadmiumelektroden in een kaliumhydroxideoplossing. Het werd gecommercialiseerd in Zweden in 1910 en bereikte de Verenigde Staten in 1946. De eerste modellen waren robuust en hadden een beduidend betere energiedichtheid dan lood-zuurbatterijen, maar waren veel duurder.
20e eeuw: nieuwe technologieën en ubiquity
nikkel-ijzer
nikkel-ijzer batterijen geproduceerd tussen 1972 en 1975 onder het merk” Exide”, oorspronkelijk ontwikkeld in 1901 door Thomas Edison.Waldemar Jungner patenteerde een nikkel-ijzerbatterij in 1899, hetzelfde jaar als zijn Ni-Cad-batterijoctrooi, maar vond het minderwaardig dan zijn cadmiumbatterij en nam daarom nooit de moeite om het te ontwikkelen. Het produceerde veel meer waterstofgas toen het werd opgeladen, wat betekende dat het niet kon worden afgedicht, en het laadproces was minder efficiënt (het was echter goedkoper).Thomas Edison zag een manier om winst te maken op de reeds concurrerende markt voor lood-zuurbatterijen en werkte in de jaren 1890 aan de ontwikkeling van een alkalinebatterij waarop hij een patent kon krijgen. Edison dacht dat als hij lichtgewicht en duurzame batterij elektrische auto ‘ s zou worden de standaard, met zijn bedrijf als de belangrijkste batterij leverancier. Na vele experimenten, en waarschijnlijk geleend van Jungner ‘ s ontwerp, patenteerde hij een alkaline gebaseerde nikkel–ijzer batterij in 1901. Klanten vonden echter dat zijn eerste model van de alkaline nikkel-ijzer batterij gevoelig is voor lekkage, wat leidt tot een korte levensduur van de batterij, en het presteerde ook niet veel beter dan de loodzuurcel. Hoewel Edison in staat was om een meer betrouwbare en krachtige model zeven jaar later, tegen die tijd de goedkope en betrouwbare Model T Ford had gemaakt benzine motor auto ‘ s de standaard. Toch bereikte Edison ‘ s batterij groot succes in andere toepassingen, zoals elektrische en diesel-elektrische spoorvoertuigen, het verstrekken van back-up stroom voor spoorwegovergang signalen, of om stroom te leveren voor de lampen gebruikt in de mijnen.
gewone alkalinebatterijen
tot de late jaren 1950 bleef de zink–koolstofbatterij een populaire primaire celbatterij, maar de relatief lage batterijlevensduur belemmerde de verkoop. In 1955 kreeg een ingenieur genaamd Lewis Urry, werkzaam voor Union Carbide bij het National Carbon Company Parma Research Laboratory, de opdracht om een manier te vinden om de levensduur van zink-koolstofbatterijen te verlengen, maar Urry besloot in plaats daarvan dat alkalinebatterijen meer belofte hielden. Tot die tijd waren alkalinebatterijen met een langere levensduur ondoenlijk duur. Urry ‘ s batterij bestaat uit een mangaandioxide kathode en een gepoederde zink anode met een alkalische elektrolyt. Het gebruik van zinkpoeder geeft de anode een groter oppervlak. Deze batterijen werden in 1959 op de markt gebracht.
nikkel-waterstof en nikkel-metaalhydride
de nikkel-waterstofbatterij kwam op de markt als een subsysteem voor energieopslag voor commerciële communicatiesatellieten.
de eerste nikkel–metaalhydridebatterijen (NiMH) voor kleinere toepassingen voor consumenten kwamen in 1989 op de markt als een variatie op de nikkel–waterstofbatterijen uit de jaren zeventig. NiMH-batterijen hebben meestal een langere levensduur dan NiCd-batterijen (en hun levensduur blijft toenemen als fabrikanten experimenteren met nieuwe legeringen) en omdat cadmium giftig is, zijn NiMH-batterijen minder schadelijk voor het milieu.
Lithium-en lithium-ion-batterijen
Lithium is het metaal met de laagste dichtheid en met het grootste elektrochemische potentieel en energie-gewichtsverhouding. Het lage atoomgewicht en de kleine grootte van zijn ionen versnelt ook zijn diffusie, wat suggereert dat het een ideaal materiaal voor batterijen zou zijn.Het experimenteren met lithiumbatterijen begon in 1912 onder G. N. Lewis, maar commerciële lithiumbatterijen kwamen pas in de jaren 1970 op de markt. drie volt lithium primaire cellen zoals het CR123A-type en drie volt knoopcellen worden nog steeds veel gebruikt, vooral in camera ‘ s en zeer kleine apparaten.
drie belangrijke ontwikkelingen met betrekking tot lithiumbatterijen deden zich voor in de jaren tachtig. Goodenough ontdekte de LiCoO2 kathode (positief lood) en een Marokkaanse onderzoeker, Rachid Yazami, ontdekte de grafietanode (negatief lood) met de vaste elektrolyt. In 1981 ontdekten Japanse chemici Tokio Yamabe en Shizukuni Yata een nieuwe nano-carbonacious-PAS (polyaceen) en vonden dat het zeer effectief was voor de anode in de conventionele vloeibare elektrolyt. Dit leidde tot een onderzoeksteam onder leiding van Akira Yoshino van Asahi Chemical, Japan, om het eerste lithium-ion batterij prototype te bouwen in 1985, een oplaadbare en stabielere versie van de lithium batterij; Sony commercialiseerde de lithium-ion batterij in 1991.In 1997 werd de lithiumpolymeerbatterij vrijgegeven door Sony en Asahi Kasei. Deze batterijen houden hun elektrolyt in een vaste polymeercomposiet in plaats van in een vloeibaar oplosmiddel, en de elektroden en afscheiders zijn aan elkaar gelamineerd. Dit laatste verschil maakt het mogelijk om de batterij te omhullen in een flexibele verpakking in plaats van in een stijve metalen behuizing, wat betekent dat dergelijke batterijen specifiek kunnen worden gevormd om een bepaald apparaat te passen. Dit voordeel heeft lithiumpolymeerbatterijen begunstigd bij het ontwerp van draagbare elektronische apparaten zoals mobiele telefoons en persoonlijke digitale assistenten, en van radiogestuurde vliegtuigen, aangezien dergelijke batterijen een flexibeler en compacter ontwerp mogelijk maken. Ze hebben over het algemeen een lagere energiedichtheid dan normale lithium-ion-batterijen.In 2019 kregen John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham en Akira Yoshino de Nobelprijs voor de Scheikunde voor hun ontwikkeling van lithium-ion batterijen.