experiment
år 1749 använde Benjamin Franklin, den amerikanska polymath och grundare, först termen ”batteri” för att beskriva en uppsättning länkade kondensatorer som han använde för sina experiment med el. Dessa kondensatorer var paneler av glas belagda med metall på varje yta. Dessa kondensatorer laddades med en statisk generator och urladdades genom att vidröra metall till deras elektrod. Att koppla ihop dem i ett ”batteri” gav en starkare urladdning. Ursprungligen har den generiska betydelsen av” en grupp av två eller flera liknande föremål som fungerar tillsammans”, som i ett artilleribatteri, termen kom att användas för voltaiska högar och liknande anordningar där många elektrokemiska celler var sammankopplade på samma sätt som Franklins kondensatorer. Idag kallas även en enda elektrokemisk cell, aka en torrcell, vanligtvis ett batteri.
uppfinning
Luigi Galvani var en italiensk läkare, fysiker, biolog och filosof, som upptäckte djurelektricitet. År 1780 upptäckte han och hans fru Lucia att musklerna i döda grodors ben ryckte när de slogs av en elektrisk gnista. Galvani trodde att energin som drev denna sammandragning kom från själva benet. Han kallade ”animal electricity” när två olika metaller kopplades i serie med en grodas ben och till varandra.
men Alessandro Volta – den italienska fysikern och kemisten – en vän och medforskare av Luigi Galvani, var oense och trodde att detta fenomen orsakades av två olika metaller förenade med en fuktig mellanhand. Han verifierade denna hypotes genom experiment och publicerade resultaten 1791. År 1800 uppfann Volta det första riktiga batteriet, som blev känt som voltaic pile. Den voltaiska högen bestod av par koppar-och zinkskivor staplade ovanpå varandra, åtskilda av ett lager av tyg eller kartong blöt i saltlake (dvs elektrolyten). Till skillnad från Leyden burk, voltaic högen producerade en kontinuerlig el och stabil ström, och förlorade lite laddning över tiden när den inte används, även om hans tidiga modeller inte kunde producera en spänning tillräckligt stark för att producera gnistor. Han experimenterade med olika metaller och fann att zink och silver gav de bästa resultaten.
Volta trodde att strömmen var resultatet av två olika material som helt enkelt rörde varandra—en föråldrad vetenskaplig teori som kallas kontaktspänning-och inte resultatet av kemiska reaktioner. Som en konsekvens betraktade han korrosion av zinkplattorna som en orelaterad brist som kanske kunde fixas genom att byta material på något sätt. Men ingen forskare lyckades någonsin förhindra denna korrosion. Faktum är att det observerades att korrosionen var snabbare när en högre ström drogs. Detta antydde att korrosionen faktiskt var integrerad i batteriets förmåga att producera en ström. Detta ledde delvis till avvisandet av Voltas kontaktspänningsteori till förmån för elektrokemisk teori.
Voltas ursprungliga stapelmodeller hade några tekniska brister, en av dem involverade elektrolytläckage och orsakade kortslutningar på grund av skivans vikt som komprimerade den saltlösade trasan. William Cruickshank, en skotsk militärkirurg och kemist, löste detta problem genom att lägga elementen i en låda istället för att stapla dem i en stapel. Detta var känt som trågbatteriet. Volta själv uppfann en variant som bestod av en kedja av koppar fyllda med en saltlösning, kopplad ihop av metallbågar doppade i vätskan. Detta var känt som kronan av koppar. Dessa bågar var gjorda av två olika metaller (t.ex. zink och koppar) lödda ihop. Denna modell visade sig också vara effektivare än hans ursprungliga högar, men det visade sig inte vara lika populärt.
ett annat problem med Voltas batterier var kort batteritid (en timmes värde i bästa fall), vilket orsakades av två fenomen. Den första var att den nuvarande producerade elektrolyserade elektrolytlösningen, vilket resulterade i en film av vätebubblor som bildades på koppar, vilket stadigt ökade batteriets inre motstånd (denna effekt, kallad polarisering, motverkas i moderna celler genom ytterligare åtgärder). Den andra var ett fenomen som kallas lokal åtgärd, där små kortslutningar skulle bildas runt föroreningar i zinken, vilket får zinken att försämras. Det senare problemet löstes 1835 av den engelska uppfinnaren William Sturgeon, som fann att amalgamerad zink, vars yta hade behandlats med lite kvicksilver, inte led av lokal åtgärd.
trots sina brister ger Voltas batterier en stadigare ström än Leyden-burkar och möjliggjorde många nya experiment och upptäckter, såsom den första elektrolysen av vatten av den engelska kirurgen Anthony Carlisle och den engelska kemisten William Nicholson.
första praktiska batterier
Daniell cell
en engelsk professor i kemi som heter John Frederic Daniell hittade ett sätt att lösa vätebubbelproblemet i den voltaiska högen genom att använda en andra elektrolyt för att konsumera väte som produceras av den första. År 1836 uppfann han Daniell-cellen, som består av en kopparkruka fylld med en kopparsulfatlösning, i vilken nedsänktes en Oglaserad lergods behållare fylld med svavelsyra och en zinkelektrod. Lergodsbarriären är porös, vilket gör att joner kan passera men hindrar lösningarna från att blandas.
Daniell-cellen var en stor förbättring jämfört med den befintliga tekniken som användes i början av batteriutvecklingen och var den första praktiska elkällan. Det ger en längre och mer tillförlitlig ström än den voltaiska cellen. Det är också säkrare och mindre frätande. Den har en driftspänning på ungefär 1,1 volt. Det blev snart branschstandarden för användning, särskilt med de nya telegrafnäten.
Daniell-cellen användes också som den första arbetsstandarden för definition av volt, som är enheten för elektromotorisk kraft.
Bird ’ s cell
en version av Daniell-cellen uppfanns 1837 av killens sjukhusläkare Golding Bird som använde en gips av Paris-barriär för att hålla lösningarna åtskilda. Fågelns experiment med denna cell var av viss betydelse för den nya disciplinen av elektrometallurgi.
porös pot cell
den porösa pot-versionen av Daniell cell uppfanns av John Dancer, en Liverpool-instrumenttillverkare, 1838. Den består av en central zinkanod doppad i en porös lergods som innehåller en zinksulfatlösning. Den porösa potten nedsänks i sin tur i en lösning av kopparsulfat som finns i en kopparburk, som fungerar som cellens katod. Användningen av en porös barriär tillåter joner att passera genom men hindrar lösningarna från att blandas.
Gravity cell
på 1860-talet uppfann en fransman som heter Callaud en variant av Daniell-cellen som heter gravity cell. Denna enklare version undvek den porösa barriären. Detta minskar systemets inre motstånd och därmed ger batteriet en starkare ström. Det blev snabbt det valda batteriet för de amerikanska och brittiska telegrafnäten och användes allmänt fram till 1950-talet.
gravity cell består av en glasburk, där en kopparkatod sitter på botten och en zinkanod är upphängd under fälgen. Kopparsulfatkristaller sprids runt katoden och sedan fylls burken med destillerat vatten. När strömmen dras bildas ett lager av zinksulfatlösning överst runt anoden. Detta Toppskikt hålls åtskilt från det nedre kopparsulfatskiktet genom dess lägre densitet och genom cellens polaritet.
zinksulfatskiktet är klart i motsats till det djupblå kopparsulfatskiktet, vilket gör det möjligt för en tekniker att mäta batteriets livslängd med en blick. Å andra sidan innebär denna inställning att batteriet endast kan användas i en stationär apparat, annars blandar eller släpper lösningarna. En annan nackdel är att en ström måste kontinuerligt dras för att hålla de två lösningarna från blandning genom diffusion, så det är olämpligt för intermittent användning.
Poggendorff cell
den tyska forskaren Johann Christian Poggendorff övervann problemen med att separera elektrolyten och depolariseraren med en porös lergods kruka 1842. I Poggendorff-cellen, ibland kallad Grenet-Cell på grund av Eugene Grenets verk omkring 1859, är elektrolyten utspädd svavelsyra och depolarisatorn är kromsyra. De två syrorna blandas fysiskt ihop, vilket eliminerar den porösa potten. Den positiva elektroden (katoden) är två kolplattor, med en zinkplatta (negativ eller anod) placerad mellan dem. På grund av syrablandningens tendens att reagera med zinken tillhandahålls en mekanism för att höja zinkelektroden från syrorna.
cellen ger 1,9 volt. Det visade sig vara populärt hos experimenter i många år på grund av dess relativt höga spänning; större förmåga att producera en jämn ström och brist på ångor, men den relativa bräckligheten hos dess tunna glashölje och nödvändigheten av att behöva höja zinkplattan när cellen inte används så småningom såg den falla i favör. Cellen var också känd som’ kromsyracellen’, men huvudsakligen som’bichromatcellen’. Detta senare namn kom från praxis att producera kromsyran genom att tillsätta svavelsyra till kaliumdikromat, även om cellen i sig inte innehåller något dikromat.
den fylligare cellen utvecklades från Poggendorff-cellen. Även om kemin huvudsakligen är densamma separeras de två syrorna återigen av en porös behållare och zinken behandlas med kvicksilver för att bilda en amalgam.
Grove cell
Grove cell uppfanns av Welshman William Robert Grove 1839. Den består av en zinkanod doppad i svavelsyra och en platinakatod doppad i salpetersyra, separerad av porös lergods. Grove-cellen ger en hög ström och nästan dubbelt så mycket som Daniell-cellens spänning, vilket gjorde den till den gynnade cellen i de amerikanska telegrafnätverken under en tid. Det avger emellertid giftiga kväveoxidångor när de används. Spänningen sjunker också kraftigt när laddningen minskar, vilket blev en skuld när telegrafnät blev mer komplexa. Platina var och är fortfarande mycket dyrt.
uppladdningsbara batterier och torrceller
bly-syra
fram till denna punkt skulle alla befintliga batterier tömmas permanent när alla deras kemiska reaktioner spenderades. År 1859 uppfann Gaston Plant, det första batteriet någonsin som kunde laddas genom att passera en omvänd ström genom den. En blysyracell består av en blyanod och en blydioxidkatod nedsänkt i svavelsyra. Båda elektroderna reagerar med syran för att producera blysulfat, men reaktionen vid blyanoden frigör elektroner medan reaktionen vid blydioxiden förbrukar dem, vilket ger en ström. Dessa kemiska reaktioner kan vändas genom att leda en omvänd ström genom batteriet och därigenom ladda den.
Plantcu: s första modell bestod av två blyark åtskilda av gummiremsor och rullade in i en spiral. Hans batterier användes först för att driva lamporna i tågvagnar medan de stannade vid en station. År 1881 uppfann Camille Alphonse Faure en förbättrad version som består av ett blygaller i vilket pressas en blyoxidpasta och bildar en platta. Flera plattor kan staplas för bättre prestanda. Denna design är lättare att massproducera.
jämfört med andra batterier är Växtcu-batterier ganska tunga och skrymmande för den mängd energi den kan hålla. Det kan emellertid producera anmärkningsvärt stora strömmar i överspänningar. Det har också mycket lågt internt motstånd, vilket innebär att ett enda batteri kan användas för att driva flera kretsar.
blybatteriet används fortfarande idag i bilar och andra applikationer där vikt inte är en stor faktor. Grundprincipen har inte förändrats sedan 1859. I början av 1930-talet användes en gelelektrolyt (istället för en vätska) som producerades genom tillsats av kiseldioxid till en laddad cell i LT-batteriet av bärbara vakuumrörradioer. På 1970-talet blev ”förseglade” versioner vanliga (allmänt kända som en ”gelcell” eller ”SLA”), vilket gjorde att batteriet kunde användas i olika positioner utan fel eller läckage.
idag klassificeras celler som ”primära” om de bara producerar en ström tills deras kemiska reaktanter är uttömda och ”sekundära” om de kemiska reaktionerna kan vändas genom att ladda cellen. Bly-syracellen var den första” sekundära ” cellen.
Leclanch Celleri
år 1866 uppfann Georges Leclanch Celleri ett batteri som består av en zinkanod och en mangandioxidkatod insvept i ett poröst material, doppat i en burk ammoniumkloridlösning. Mangandioxidkatoden har också lite kol Blandat i det, vilket förbättrar ledningsförmågan och absorptionen. Det gav en spänning på 1,4 volt. Denna cell uppnådde mycket snabb framgång inom telegrafi, signalering och elektrisk klockarbete.
torrcellsformen användes för att driva tidiga telefoner—vanligtvis från en intilliggande trälåda fäst för att passa batterier innan telefoner kunde dra ström från själva telefonlinjen. Leclanch-cellen kan inte ge en hållbar ström under mycket lång tid. I långa samtal skulle batteriet gå ner, vilket gör konversationen ohörbar. Detta beror på att vissa kemiska reaktioner i cellen ökar det inre motståndet och därmed sänker spänningen. Dessa reaktioner vänder sig när batteriet lämnas i viloläge, så det är bara bra för intermittent användning.
zink-kolcell, den första torrcellen
många experimenter försökte immobilisera elektrolyten hos en elektrokemisk cell för att göra det bekvämare att använda. Zamboni-högen av 1812 är ett högspännings torrt batteri men kan leverera endast minutströmmar. Olika experiment gjordes med cellulosa, sågspån, spunnet glas, asbestfibrer och gelatin.
1886 erhöll Carl Gassner ett tyskt patent på en variant av Leclanch-cellen, som blev känd som torrcellen eftersom den inte har en fri flytande elektrolyt. Istället blandas ammoniumkloriden med gips av Paris för att skapa en pasta, med en liten mängd zinkklorid tillsatt för att förlänga hållbarheten. Mangandioxidkatoden doppas i denna pasta, och båda är förseglade i ett zinkskal, vilket också fungerar som anoden. I November 1887 erhöll han amerikanskt Patent 373 064 för samma enhet.
till skillnad från tidigare våta celler är Gassners torrcell mer solid, kräver inte underhåll, spill inte och kan användas i någon orientering. Det ger en potential på 1,5 volt. Den första massproducerade modellen var Columbia dry cell, som först marknadsfördes av National Carbon Company 1896. NCC förbättrade Gassners modell genom att ersätta gips i Paris med lindad kartong, en innovation som lämnade mer utrymme för katoden och gjorde batteriet lättare att montera. Det var det första praktiska batteriet för massorna och gjorde bärbara elektriska apparater praktiska och ledde direkt till uppfinningen av ficklampan.
parallellt utvecklade Wilhelm Hellesen 1887 sin egen torrcellsdesign. Det har hävdats att Hellesens design föregick Gassners.
år 1887 utvecklades ett torrbatteri av Yai Sakiz Asia i Japan och patenterades sedan 1892. År 1893 ställdes Yai Sakiz Sabaris torrbatteri ut i World ’ s Columbian Exposition och gav stor internationell uppmärksamhet.
NiCd, det första alkaliska batteriet
1899 uppfann en svensk forskare vid namn Waldemar Jungner nickel–kadmiumbatteriet, ett uppladdningsbart batteri som har nickel-och kadmiumelektroder i en kaliumhydroxidlösning; det första batteriet som använder en alkalisk elektrolyt. Det kommersialiserades i Sverige 1910 och nådde USA 1946. De första modellerna var robusta och hade betydligt bättre energitäthet än blybatterier, men var mycket dyrare.
20-talet: ny teknik och ubiquity
Nickel-järn
Nickel-järn batterier tillverkade mellan 1972 och 1975 under varumärket ”Exide”, som ursprungligen utvecklades 1901 av Thomas Edison.
Waldemar Jungner patenterade ett nickel–järnbatteri 1899, samma år som hans Ni-Cad-batteripatent, men fann att det var sämre än dess kadmium motsvarighet och som en följd störde aldrig att utveckla det. Det producerade mycket mer vätgas när det laddades, vilket betyder att det inte kunde förseglas och laddningsprocessen var mindre effektiv (det var dock billigare).
Thomas Edison arbetade på 1890-talet med att utveckla ett alkaliskt baserat batteri som han kunde få patent på. Edison trodde att om han producerade lätta och hållbara batteribilar skulle bli standard, med sitt företag som huvudbatteriförsäljare. Efter många experiment, och förmodligen lånat från Jungners design, patenterade han ett alkaliskt baserat nickeljärnbatteri 1901. Kunderna fann dock att hans första modell av det alkaliska nickeljärnbatteriet var benäget för läckage vilket ledde till kort batterilivslängd, och det överträffade inte heller blysyracellen. Även om Edison kunde producera en mer pålitlig och kraftfull modell sju år senare, hade den här billiga och pålitliga modellen T Ford gjort bensinmotorbilar till standarden. Ändå uppnådde Edisons batteri stor framgång i andra applikationer som elektriska och dieselelektriska järnvägsfordon, vilket gav reservkraft för järnvägssignaler eller för att ge ström till lamporna som används i gruvor.
vanliga alkaliska batterier
fram till slutet av 1950–talet fortsatte zink-kolbatteriet att vara ett populärt primärcellsbatteri, men dess relativt låga batterilivslängd hindrade försäljningen. 1955 fick en ingenjör vid namn Lewis Urry, som arbetade för Union Carbide vid National Carbon Company Parma Research Laboratory, i uppdrag att hitta ett sätt att förlänga livslängden på zink-kolbatterier, men Urry bestämde istället att Alkaliska batterier hade mer löfte. Fram till dess var långvariga Alkaliska batterier omöjligt dyra. Urrys batteri består av en mangandioxidkatod och en pulveriserad zinkanod med en alkalisk elektrolyt. Användning av pulveriserad zink ger anoden en större yta. Dessa batterier släpptes ut på marknaden 1959.
Nickel-väte och Nickelmetallhydrid
nickel-vätebatteriet kom in på marknaden som ett delsystem för energilagring för kommersiella kommunikationssatelliter.
de första nickelmetallhydridbatterierna (NiMH) för mindre applikationer uppträdde på marknaden 1989 som en variant av 1970–talets nickel–vätebatteri. NiMH-batterier tenderar att ha längre livslängd än NiCd-batterier (och deras livslängd fortsätter att öka när tillverkare experimenterar med nya legeringar) och eftersom kadmium är giftigt är NiMH-batterier mindre skadliga för miljön.
litium-och litiumjonbatterier
litium är metallen med lägsta densitet och med störst elektrokemisk potential och energi-till-vikt-förhållande. Den låga atomvikten och den lilla storleken på dess joner påskyndar också dess diffusion, vilket tyder på att det skulle göra ett idealiskt material för batterier.Experiment med litiumbatterier började 1912 under G. N. Lewis, men kommersiella litiumbatterier kom inte på marknaden förrän på 1970-talet. tre volt litiumprimärkceller som CR123A-typen och tre volt knappceller används fortfarande i stor utsträckning, särskilt i kameror och mycket små enheter.
tre viktiga utvecklingar avseende litiumbatterier inträffade på 1980 – talet. 1980, en amerikansk kemist, John B. Goodenough upptäckte LiCoO2-katoden (positiv bly) och en marockansk forskare, Rachid Yazami, upptäckte grafitanoden (negativ bly) med den fasta elektrolyten. 1981 upptäckte japanska kemister Tokio Yamabe och Shizukuni Yata en ny nano-karbonat-PAS (polyacene) och fann att den var mycket effektiv för anoden i den konventionella flytande elektrolyten. Detta ledde ett forskargrupp som förvaltades av Akira Yoshino från Asahi Chemical, Japan, för att bygga den första litiumjonbatteriprototypen 1985, en uppladdningsbar och stabilare version av litiumbatteriet; Sony kommersialiserade litiumjonbatteriet 1991.
1997 släpptes litiumpolymerbatteriet av Sony och Asahi Kasei. Dessa batterier håller sin elektrolyt i en fast polymerkomposit istället för i ett flytande lösningsmedel, och elektroderna och separatorerna lamineras till varandra. Den senare skillnaden gör att batteriet kan inneslutas i en flexibel förpackning istället för i ett styvt metallhölje, vilket innebär att sådana batterier kan formas specifikt för att passa en viss enhet. Denna fördel har gynnat litiumpolymerbatterier i utformningen av bärbara elektroniska enheter som mobiltelefoner och personliga digitala assistenter och av radiostyrda flygplan, eftersom sådana batterier möjliggör mer flexibel och kompakt design. De har i allmänhet en lägre energitäthet än vanliga litiumjonbatterier.
år 2019 tilldelades John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham och Akira Yoshino Nobelpriset i kemi 2019 för deras utveckling av litiumjonbatterier.