experimente
în 1749, Benjamin Franklin, polimatul SUA și tatăl fondator, a folosit pentru prima dată termenul „baterie” pentru a descrie un set de condensatori legați pe care i-a folosit pentru experimentele sale cu electricitate. Aceste condensatoare erau panouri de sticlă acoperite cu metal pe fiecare suprafață. Acești condensatori au fost încărcați cu un generator static și descărcați prin atingerea metalului la electrodul lor. Legarea lor împreună într-o” baterie ” a dat o descărcare mai puternică. Având inițial sensul generic de” un grup de două sau mai multe obiecte similare care funcționează împreună”, ca într-o baterie de artilerie, termenul a ajuns să fie folosit pentru piloți voltaici și dispozitive similare în care multe celule electrochimice erau conectate împreună în maniera condensatorilor lui Franklin. Astăzi, chiar și o singură celulă electrochimică, cunoscută și sub numele de celulă uscată, este denumită în mod obișnuit baterie.
invenție
Luigi Galvani a fost un medic, fizician, biolog și filozof Italian, care a descoperit electricitatea animală. În 1780, el și soția sa Lucia au descoperit că mușchii picioarelor broaștelor moarte se răsuceau atunci când erau loviți de o scânteie electrică. Galvani credea că energia care a condus această contracție provenea din piciorul însuși. El a numit „electricitatea animalelor” când două metale diferite erau conectate în serie cu piciorul unei broaște și unul cu celălalt.
cu toate acestea, Alessandro Volta – fizicianul și chimistul Italian – un prieten și coleg de știință al lui Luigi Galvani, nu a fost de acord, crezând că acest fenomen a fost cauzat de două metale diferite unite de un intermediar umed. El a verificat această ipoteză prin experiment și a publicat rezultatele în 1791. În 1800, Volta a inventat prima baterie adevărată, care a ajuns să fie cunoscută sub numele de gramada voltaică. Grămada voltaică consta din perechi de discuri de cupru și zinc îngrămădite una peste alta, separate printr-un strat de pânză sau carton înmuiat în saramură (adică electrolitul). Spre deosebire de borcanul Leyden, grămada voltaică a produs o electricitate continuă și un curent stabil și a pierdut puțină încărcare în timp atunci când nu era utilizată, deși modelele sale timpurii nu au putut produce o tensiune suficient de puternică pentru a produce scântei. El a experimentat diferite metale și a constatat că zincul și argintul au dat cele mai bune rezultate.
Volta credea că curentul era rezultatul a două materiale diferite care se atingeau pur și simplu—o teorie științifică învechită cunoscută sub numele de tensiune de contact—și nu rezultatul reacțiilor chimice. În consecință, el a considerat coroziunea plăcilor de zinc ca un defect fără legătură care ar putea fi remediat prin schimbarea cumva a materialelor. Cu toate acestea, niciun om de știință nu a reușit vreodată să prevină această coroziune. De fapt, s-a observat că coroziunea a fost mai rapidă atunci când a fost tras un curent mai mare. Acest lucru a sugerat că coroziunea a fost de fapt parte integrantă a capacității bateriei de a produce un curent. Acest lucru, în parte, a dus la respingerea teoriei tensiunii de contact a lui Volta în favoarea teoriei electrochimice.
modelele originale Volta au avut unele defecte tehnice, una dintre ele implicând scurgerea electrolitului și provocând scurtcircuite datorită greutății discurilor care comprimă pânza îmbibată cu saramură. William Cruickshank, chirurg și chimist militar scoțian, a rezolvat această problemă așezând elementele într-o cutie în loc să le îngrămădească într-o stivă. Acest lucru a fost cunoscut sub numele de baterie jgheab. Volta însuși a inventat o variantă care consta dintr-un lanț de cupe umplute cu o soluție de sare, legate între ele prin arcuri metalice înmuiate în lichid. Aceasta a fost cunoscută sub numele de coroana Cupelor. Aceste arce au fost realizate din două metale diferite (de exemplu, zinc și cupru) lipite împreună. Acest model s-a dovedit, de asemenea, mai eficient decât grămezile sale originale, deși nu s-a dovedit la fel de popular.
o altă problemă cu bateriile Volta a fost durata scurtă de viață a bateriei (în cel mai bun caz o oră), care a fost cauzată de două fenomene. Primul a fost că curentul produs a electrolizat soluția de electroliți, rezultând o peliculă de bule de hidrogen care se formează pe cupru, ceea ce a crescut constant rezistența internă a bateriei (Acest efect, numit polarizare, este contracarat în celulele moderne prin măsuri suplimentare). Celălalt a fost un fenomen numit acțiune locală, în care scurtcircuitele minute s-ar forma în jurul impurităților din zinc, determinând degradarea zincului. Ultima problemă a fost rezolvată în 1835 de inventatorul englez William Sturgeon, care a descoperit că zincul amalgamat, a cărui suprafață fusese tratată cu ceva mercur, nu suferea de acțiune locală.
în ciuda defectelor sale, bateriile Volta oferă un curent mai stabil decât borcanele Leyden și au făcut posibile multe experimente și descoperiri noi, cum ar fi prima electroliză a apei de către chirurgul englez Anthony Carlisle și chimistul englez William Nicholson.
primele baterii practice
Daniell cell
un profesor de chimie englez pe nume John Frederic Daniell a găsit o modalitate de a rezolva problema bulei de hidrogen din grămada voltaică folosind un al doilea electrolit pentru a consuma hidrogenul produs de primul. În 1836, el a inventat celula Daniell, care constă dintr-un vas de cupru umplut cu o soluție de sulfat de cupru, în care este scufundat un recipient de faianță neglazurat umplut cu acid sulfuric și un electrod de zinc. Bariera de faianță este poroasă, ceea ce permite trecerea ionilor, dar împiedică amestecarea soluțiilor.
celula Daniell a fost o mare îmbunătățire față de tehnologia existentă utilizată în primele zile de dezvoltare a bateriei și a fost prima sursă practică de energie electrică. Oferă un curent mai lung și mai fiabil decât celula voltaică. De asemenea, este mai sigur și mai puțin coroziv. Are o tensiune de funcționare de aproximativ 1,1 volți. În curând a devenit standardul industrial pentru utilizare, în special cu noile rețele de telegraf.
celula Daniell a fost, de asemenea, utilizată ca primul standard de lucru pentru definirea voltului, care este unitatea de forță electromotoare.
Bird ‘ s cell
o versiune a celulei Daniell a fost inventată în 1837 de medicul spitalului Golding Bird, care a folosit un tencuială de barieră din Paris pentru a menține soluțiile separate. Experimentele lui Bird cu această celulă au avut o anumită importanță pentru noua disciplină a electrometalurgiei.
celulă poroasă
versiunea poroasă a celulei Daniell a fost inventată de John Dancer, un producător de instrumente din Liverpool, în 1838. Se compune dintr-un anod central de zinc înmuiat într-un vas poros de faianță care conține o soluție de sulfat de zinc. Vasul poros este, la rândul său, scufundat într-o soluție de sulfat de cupru conținută într-o cutie de cupru, care acționează ca catodul celulei. Utilizarea unei bariere poroase permite trecerea ionilor, dar împiedică amestecarea soluțiilor.
celula Gravitațională
în anii 1860, un francez pe nume Callaud a inventat o variantă a celulei Daniell numită celula gravitațională. Această versiune mai simplă a renunțat la bariera poroasă. Acest lucru reduce rezistența internă a sistemului și, astfel, bateria produce un curent mai puternic. A devenit rapid bateria de alegere pentru rețelele telegrafice americane și britanice și a fost utilizată pe scară largă până în anii 1950.
celula gravitațională constă dintr-un borcan de sticlă, în care un catod de cupru stă pe fund și un anod de zinc este suspendat sub jantă. Cristalele de sulfat de cupru sunt împrăștiate în jurul catodului și apoi borcanul este umplut cu apă distilată. Pe măsură ce curentul este tras, un strat de soluție de sulfat de zinc se formează în partea superioară în jurul anodului. Acest strat superior este păstrat separat de stratul inferior de sulfat de cupru prin densitatea sa mai mică și prin polaritatea celulei.
stratul de sulfat de zinc este clar în contrast cu stratul de sulfat de cupru albastru, care permite unui tehnician să măsoare durata de viață a bateriei dintr-o privire. Pe de altă parte, această configurare înseamnă că bateria poate fi utilizată numai într-un aparat staționar, altfel soluțiile se amestecă sau se varsă. Un alt dezavantaj este că un curent trebuie atras continuu pentru a împiedica amestecarea celor două soluții prin difuzie, deci nu este potrivit pentru utilizare intermitentă.
celula Poggendorff
omul de știință german Johann Christian Poggendorff a depășit problemele legate de separarea electrolitului și a depolarizatorului folosind o oală poroasă din faianță în 1842. În celula Poggendorff, uneori numită celulă Grenet datorită lucrărilor lui Eugene Grenet în jurul anului 1859, electrolitul este acid sulfuric diluat, iar depolarizatorul este acid cromic. Cei doi acizi sunt amestecați fizic împreună, eliminând vasul poros. Electrodul pozitiv (catod) este două plăci de carbon, cu o placă de zinc (negativă sau anod) poziționată între ele. Datorită tendinței amestecului acid de a reacționa cu zincul, este prevăzut un mecanism pentru a ridica electrodul de zinc fără acizi.
celula furnizează 1,9 volți. S-a dovedit popular printre experimentatori de mulți ani datorită tensiunii sale relativ ridicate; capacitatea mai mare de a produce un curent consistent și lipsa de vapori, dar fragilitatea relativă a incintei sale subțiri de sticlă și necesitatea de a trebui să ridice placa de zinc atunci când celula nu este utilizată au văzut-o în cele din urmă să cadă din favoare. Celula a fost, de asemenea, cunoscut sub numele de ‘cromic acid cell’, dar în principal ca ‘bicromat cell’. Acest din urmă nume provine din practica producerii acidului cromic prin adăugarea acidului sulfuric la dicromatul de potasiu, chiar dacă celula în sine nu conține dicromat.
celula Fuller a fost dezvoltată din celula Poggendorff. Deși chimia este în principal aceeași, cei doi acizi sunt din nou separați de un recipient poros, iar zincul este tratat cu mercur pentru a forma un amalgam.
Grove cell
celula Grove a fost inventată de galezul William Robert Grove în 1839. Se compune dintr-un anod de zinc înmuiat în acid sulfuric și un catod de platină înmuiat în acid azotic, separat de faianță poroasă. Celula Grove oferă un curent ridicat și aproape de două ori tensiunea celulei Daniell, ceea ce a făcut-o celula favorizată a rețelelor telegrafice Americane pentru o vreme. Cu toate acestea, degajă vapori otrăvitori de oxid nitric atunci când este operat. De asemenea, tensiunea scade brusc pe măsură ce sarcina scade, ceea ce a devenit o datorie pe măsură ce rețelele telegrafice au devenit mai complexe. Platina a fost și este încă foarte scumpă.
Baterii reîncărcabile și celule uscate
plumb-acid
până în acest moment, toate bateriile existente ar fi golite permanent atunci când toate reacțiile lor chimice au fost cheltuite. În 1859, Gaston Plant a inventat bateria plumb–acid, prima baterie care putea fi reîncărcată prin trecerea unui curent invers prin ea. O celulă de acid plumb constă dintr-un anod de plumb și un catod de dioxid de plumb scufundat în acid sulfuric. Ambii electrozi reacționează cu acidul pentru a produce sulfat de plumb, dar reacția la anodul de plumb eliberează electroni în timp ce reacția la dioxidul de plumb îi consumă, producând astfel un curent. Aceste reacții chimice pot fi inversate prin trecerea unui curent invers prin baterie, reîncărcându-l astfel.
primul model al uzinei a constat din două foi de plumb separate prin benzi de cauciuc și laminate într-o spirală. Bateriile sale au fost folosite pentru prima dată pentru a alimenta luminile din vagoanele de tren în timp ce erau oprite într-o stație. În 1881, Camille Alphonse Faure a inventat o versiune îmbunătățită care constă dintr-o rețea de rețea de plumb în care este presată o pastă de oxid de plumb, formând o placă. Mai multe plăci pot fi stivuite pentru o performanță mai mare. Acest design este mai ușor de produs în masă.
in comparatie cu alte baterii, instalatia este destul de grea si voluminoasa pentru cantitatea de energie pe care o poate detine. Cu toate acestea, poate produce curenți remarcabil de mari în valuri. De asemenea, are o rezistență internă foarte scăzută, ceea ce înseamnă că o singură baterie poate fi utilizată pentru alimentarea mai multor circuite.
bateria plumb-acid este încă folosită astăzi în automobile și alte aplicații în care greutatea nu este un factor important. Principiul de bază nu sa schimbat din 1859. La începutul anilor 1930, un electrolit gel (în loc de lichid) produs prin adăugarea de silice la o celulă încărcată a fost utilizat în bateria LT a radiourilor portabile cu tuburi vidate. În anii 1970, versiunile „sigilate” au devenit obișnuite (cunoscute în mod obișnuit ca „celulă gel” sau „SLA”), permițând utilizarea bateriei în diferite poziții fără defecțiuni sau scurgeri.
astăzi celulele sunt clasificate ca „primare” dacă produc un curent numai până când reactanții lor chimici sunt epuizați și „secundare” dacă reacțiile chimice pot fi inversate prin reîncărcarea celulei. Celula plumb-acid a fost prima celulă” secundară”.
celula Leclanche
în 1866, Georges Leclanche a inventat o baterie care constă dintr-un anod de zinc și un catod de dioxid de mangan înfășurat într-un material poros, scufundat într-un borcan de soluție de clorură de amoniu. Catodul de dioxid de mangan are și un pic de carbon amestecat în el, ceea ce îmbunătățește conductivitatea și absorbția. A furnizat o tensiune de 1,4 volți. Această celulă a obținut un succes foarte rapid în telegrafie, semnalizare și clopot electric.
forma de celule uscate a fost utilizată pentru a alimenta telefoanele timpurii—de obicei dintr-o cutie de lemn adiacentă fixată pentru a se potrivi bateriilor înainte ca telefoanele să poată extrage energie de la linia telefonică în sine. Celula Leclanche XV nu poate furniza un curent susținut de foarte mult timp. În conversații lungi, bateria se va descărca, făcând conversația inaudibilă. Acest lucru se datorează faptului că anumite reacții chimice din celulă cresc rezistența internă și, astfel, scad tensiunea. Aceste reacții se inversează atunci când bateria este lăsată la ralanti, deci este bună numai pentru utilizare intermitentă.
celula Zinc-carbon, prima celulă uscată
mulți experimentatori au încercat să imobilizeze electrolitul unei celule electrochimice pentru a-l face mai convenabil de utilizat. Grămada Zamboni din 1812 este o baterie uscată de înaltă tensiune, dar capabilă să livreze doar curenți minusculi. Au fost făcute diverse experimente cu celuloză, rumeguș, sticlă filată, fibre de azbest și gelatină.
în 1886, Carl Gassner a obținut un brevet German pe o variantă a celulei Leclanche, care a ajuns să fie cunoscută sub numele de celula uscată, deoarece nu are un electrolit lichid liber. În schimb, clorura de amoniu este amestecată cu tencuială de Paris pentru a crea o pastă, cu o cantitate mică de clorură de zinc adăugată pentru a prelungi durata de valabilitate. Catodul de dioxid de mangan este scufundat în această pastă și ambele sunt sigilate într-o coajă de zinc, care acționează și ca anod. În noiembrie 1887, a obținut brevetul SUA 373.064 pentru același dispozitiv.
spre deosebire de celulele umede anterioare, celula uscată a lui Gassner este mai solidă, nu necesită întreținere, nu se varsă și poate fi utilizată în orice orientare. Acesta oferă un potențial de 1,5 volți. Primul model produs în masă a fost Columbia dry cell, comercializat pentru prima dată de Compania Națională de Carbon în 1896. NCC a îmbunătățit modelul Gassner prin înlocuirea tencuielii din Paris cu carton înfășurat, o inovație care a lăsat mai mult spațiu pentru catod și a făcut bateria mai ușor de asamblat. A fost prima baterie convenabilă pentru mase și a făcut dispozitivele electrice portabile practice și a condus direct la inventarea lanternei.
în paralel, în 1887 Wilhelm Hellesen și-a dezvoltat propriul design de celule uscate. S-a susținut că designul lui Hellesen a precedat-o pe cea a lui Gassner.
în 1887, o baterie uscată a fost dezvoltată de Yai Sakiz din Japonia, apoi brevetată în 1892. În 1893, bateria uscată a lui Yai Sakiz a fost expusă în Expoziția Mondială columbiană și a atras o atenție internațională considerabilă.
NiCd, prima baterie alcalină
în 1899, un om de știință suedez numit Waldemar Jungner a inventat bateria nichel–cadmiu, o baterie reîncărcabilă care are electrozi de nichel și cadmiu într-o soluție de hidroxid de potasiu; prima baterie care a folosit un electrolit alcalin. A fost comercializat în Suedia în 1910 și a ajuns în Statele Unite în 1946. Primele modele au fost robuste și au avut o densitate energetică semnificativ mai bună decât bateriile plumb-acid, dar au fost mult mai scumpe.
secolul 20: noi tehnologii și ubicuitate
nichel-fier
baterii nichel-fier fabricate între 1972 și 1975 sub marca „Exide”, dezvoltate inițial în 1901 de Thomas Edison.
Waldemar Jungner a brevetat o baterie de nichel–fier în 1899, în același an cu brevetul său de baterie Ni-Cad, dar a constatat că este inferioară omologului său de cadmiu și, în consecință, nu s-a deranjat niciodată să o dezvolte. A produs mult mai mult hidrogen gazos atunci când a fost încărcat, ceea ce înseamnă că nu a putut fi sigilat, iar procesul de încărcare a fost mai puțin eficient (a fost, totuși, mai ieftin).
văzând o modalitate de a obține un profit pe piața deja competitivă a bateriilor plumb-acid, Thomas Edison a lucrat în anii 1890 la dezvoltarea unei baterii alcaline pe care să poată obține un brevet. Edison a crezut că dacă va produce mașini electrice cu baterii ușoare și durabile va deveni standard, firma sa fiind principalul său furnizor de baterii. După multe experimente și probabil împrumutând din designul lui Jungner, el a brevetat o baterie alcalină pe bază de nichel-fier în 1901. Cu toate acestea, clienții au descoperit că primul său model de baterie alcalină nichel–fier este predispus la scurgeri care duc la o durată scurtă de viață a bateriei și nici nu a depășit cu mult celula plumb-acid. Deși Edison a reușit să producă un model mai fiabil și mai puternic șapte ani mai târziu, până în acest moment modelul ieftin și fiabil T Ford făcuse mașinile cu motor pe benzină standard. Cu toate acestea, bateria lui Edison a obținut un mare succes în alte aplicații, cum ar fi vehiculele feroviare electrice și diesel-electrice, oferind energie de rezervă pentru semnalele de trecere a căilor ferate sau pentru a furniza energie lămpilor utilizate în mine.
Baterii alcaline comune
până la sfârșitul anilor 1950, bateria zinc–carbon a continuat să fie o baterie populară cu celule primare, dar durata sa de viață relativ scăzută a bateriei a împiedicat vânzările. În 1955, un inginer pe nume Lewis Urry, care lucra pentru Union Carbide la Compania Națională de Carbon Parma Research Laboratory, a fost însărcinat să găsească o modalitate de a prelungi durata de viață a bateriilor zinc-carbon, dar Urry a decis în schimb că bateriile alcaline sunt mai promițătoare. Până atunci, Bateriile alcaline de durată mai lungă erau imposibil de costisitoare. Bateria lui Urry constă dintr-un catod de dioxid de mangan și un anod de zinc sub formă de pulbere cu un electrolit alcalin. Utilizarea zincului sub formă de pulbere conferă anodului o suprafață mai mare. Aceste baterii au fost introduse pe piață în 1959.
nichel-hidrogen și nichel-hidrură metalică
bateria nichel–hidrogen a intrat pe piață ca subsistem de stocare a energiei pentru sateliții de comunicații comerciale.
primele baterii de hidrură de nichel–metal de consum (NiMH) pentru aplicații mai mici au apărut pe piață în 1989 ca o variantă a bateriei de nichel–hidrogen din anii 1970. Bateriile NiMH tind să aibă o durată de viață mai lungă decât bateriile NiCd (iar durata lor de viață continuă să crească pe măsură ce producătorii experimentează noi aliaje) și, deoarece cadmiul este toxic, bateriile NiMH sunt mai puțin dăunătoare mediului.
baterii litiu și litiu-ion
litiul este metalul cu cea mai mică densitate și cu cel mai mare potențial electrochimic și raport energie-greutate. Greutatea atomică scăzută și dimensiunea redusă a ionilor săi accelerează, de asemenea, difuzia, sugerând că ar face un material ideal pentru baterii.Experimentarea cu baterii cu litiu a început în 1912 sub G. N. Lewis, dar bateriile comerciale cu litiu nu au venit pe piață până în anii 1970. trei celule primare de litiu volt, cum ar fi tipul CR123A și celulele cu buton de trei volți, sunt încă utilizate pe scară largă, în special în camere și dispozitive foarte mici.
trei evoluții importante în ceea ce privește bateriile cu litiu au avut loc în anii 1980. în 1980, un chimist American, John B. Goodenough, a descoperit catodul LiCoO2 (plumb pozitiv) și un om de știință marocan, Rachid Yazami, a descoperit anodul de grafit (plumb negativ) cu electrolitul solid. În 1981, chimiștii Japonezi Tokio Yamabe și Shizukuni Yata au descoperit un nou nano-carbonacious-PAS (poliacen) și au descoperit că este foarte eficient pentru anod în electrolitul lichid convențional. Acest lucru a determinat o echipă de cercetare administrată de Akira Yoshino de la Asahi Chemical, Japonia, să construiască primul prototip de baterie litiu-ion în 1985, o versiune reîncărcabilă și mai stabilă a bateriei litiu; Sony a comercializat bateria litiu-ion în 1991.
în 1997, bateria litiu-polimer a fost lansată de Sony și Asahi Kasei. Aceste baterii își țin electrolitul într-un compozit polimeric solid în loc de un solvent lichid, iar electrozii și separatoarele sunt laminate între ele. Ultima diferență permite ca bateria să fie învelită într-un ambalaj flexibil în loc de o carcasă metalică rigidă, ceea ce înseamnă că astfel de baterii pot fi modelate în mod specific pentru a se potrivi unui anumit dispozitiv. Acest avantaj a favorizat bateriile litiu-polimer în proiectarea dispozitivelor electronice portabile, cum ar fi telefoanele mobile și asistenții digitali personali, și a aeronavelor controlate radio, deoarece astfel de baterii permit un design mai flexibil și mai compact. În general, au o densitate de energie mai mică decât bateriile normale litiu-ion.
în 2019, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham și Akira Yoshino au primit Premiul Nobel pentru Chimie 2019, pentru dezvoltarea bateriilor litiu-ion.