История батареи

Гальваническая свая , первая химическая батарея

Аккумуляторы были основным источником электроэнергии до появления электрических генераторов и электрических сетей примерно в конце 19 века. Последовательные улучшения в технологии аккумуляторов способствовали значительным достижениям в области электричества, от ранних научных исследований до появления телеграфов и телефонов , что в конечном итоге привело к появлению портативных компьютеров , мобильных телефонов , электромобилей и многих других электрических устройств.

Ученые и инженеры разработали несколько коммерчески важных типов батарей. «Влажные ячейки» представляли собой открытые емкости, в которых находился жидкий электролит и металлические электроды . Когда электроды были полностью израсходованы, влажная ячейка была заменена заменой электродов и электролита. Открытые контейнеры не подходят для мобильного или переносного использования. Влажные ячейки коммерчески использовались в телеграфных и телефонных системах. В ранних электромобилях использовались полугерметичные влажные камеры.

Одна из важных классификаций батарей - это их жизненный цикл. «Первичные» батареи могут вырабатывать ток сразу после сборки, но после того, как активные элементы израсходованы, их нельзя заряжать электрически. Разработка свинцово-кислотных аккумуляторов и последующих «вторичных» или «заряжаемых» типов позволила восстановить энергию элемента, продлив срок службы постоянно собранных элементов. Внедрение батарей на основе никеля и лития во второй половине 20-го века сделало возможной разработку бесчисленных портативных электронных устройств, от мощных фонарей до мобильных телефонов. Очень большие стационарные батареи находят применение в хранении энергии в сети , помогая стабилизировать распределительные сети.

Эксперименты [ править ]

Батареи связанных между собой стеклянные конденсаторы ( Лейден банка )

В 1749 году Бенджамин Франклин , американский эрудит и отец-основатель , впервые использовал термин «батарея» для описания набора связанных конденсаторов, которые он использовал в своих экспериментах с электричеством. Эти конденсаторы представляли собой панели из стекла, покрытые металлом на каждой поверхности. ^[1] Эти конденсаторы заряжались статическим генератором и разряжались прикосновением металла к их электроду . Соединение их в «батарею» дало более сильный разряд. Первоначально имея общее значение «группа из двух или более одинаковых объектов, функционирующих вместе», как в артиллерийской батарее,этот термин стал использоваться для гальванических свай и аналогичных устройств, в которых многиеэлектрохимические ячейки были соединены вместе, как конденсаторы Франклина . Сегодня даже отдельный электрохимический элемент, также известный как сухой элемент , обычно называют батареей.

Изобретение [ править ]

Основываясь на некоторых выводах Луиджи Гальвани , Алессандро Вольта , друг и коллега-ученый, полагал, что наблюдаемые электрические явления были вызваны двумя разными металлами, соединенными влажным посредником. Он проверил эту гипотезу с помощью экспериментов и опубликовал результаты в 1791 году. В 1800 году Вольта изобрел первую настоящую батарею, которая стала известна как гальваническая батарея . Гальваническая куча состояла из пар медных и цинковых дисков, установленных друг на друга и разделенных слоем ткани или картона, пропитанного рассолом (то есть электролитом ). В отличие от лейденской банки, гальваническая батарея вырабатывала постоянное электричество и стабильный ток и со временем теряла небольшую зарядку, когда не использовалась, хотя его ранние модели не могли генерировать напряжение, достаточно сильное для образования искр. ^[2] Он экспериментировал с различными металлами и обнаружил, что цинк и серебро дали наилучшие результаты.

Вольта считал, что ток возник в результате простого соприкосновения двух разных материалов друг с другом - устаревшая научная теория, известная как контактное напряжение, - а не в результате химических реакций. Как следствие, он считал коррозию цинковых пластин несвязанной дефектом, который, возможно, можно было исправить, изменив как-то материалы. Однако ни одному ученому так и не удалось предотвратить эту коррозию. Фактически, было замечено, что коррозия была быстрее, когда потреблялся более высокий ток. Это предполагает, что коррозия на самом деле является неотъемлемой частью способности батареи производить ток. Отчасти это привело к отказу от теории контактного натяжения Вольта.в пользу электрохимической теории. На иллюстрациях Вольта, изображающих его корону кубков и гальваническую груду, есть дополнительные металлические диски, которые, как теперь известно, не нужны, как сверху, так и снизу. Фигура, связанная с этим участком гальванической сваи цинк-медь, имеет современный дизайн, что указывает на то, что «контактное напряжение» не является источником электродвижущей силы для гальванической сваи.

Оригинальные модели свай Volta имели некоторые технические недостатки, один из которых был связан с утечкой электролита и причиной коротких замыканий из-за веса дисков, сжимающих пропитанную рассолом ткань. Шотландец по имени Уильям Круикшанк решил эту проблему, укладывая элементы в коробку, а не складывая их стопкой. Это было известно как лотковая батарея . ^[3] Сам Вольта изобрел вариант, который состоял из цепочки чашек, заполненных солевым раствором, связанных между собой металлическими дугами, погруженными в жидкость. Это было известно как Корона Кубков. Эти дуги были сделаны из двух разных металлов (например, цинка и меди), спаянных вместе. Эта модель также оказалась более эффективной, чем его оригинальные сваи ^[4] хотя он не оказался таким популярным.

Еще одна проблема с батареями Volta - это короткое время автономной работы (в лучшем случае - час), что было вызвано двумя явлениями. Во-первых, производимый ток электролизовал раствор электролита, в результате чего на меди образовывалась пленка пузырьков водорода , которая постоянно увеличивала внутреннее сопротивление батареи (этому эффекту, называемому поляризацией , в современных элементах противодействуют дополнительные меры). Другой - явление, называемое местным действием , при котором вокруг примесей в цинке образуются мельчайшие короткие замыкания, вызывающие разложение цинка. Последнюю проблему решил в 1835 году английский изобретатель Уильям Стерджен., которые обнаружили, что амальгамированный цинк, поверхность которого была обработана ртутью , не пострадал от местного воздействия. ^[5]

Несмотря на свои недостатки, батареи Вольты обеспечивают более стабильный ток, чем лейденские банки, и сделали возможным множество новых экспериментов и открытий, таких как первый электролиз воды английским хирургом Энтони Карлайлом и английским химиком Уильямом Николсоном .

Первые практические батареи [ править ]

Ячейка Даниэля [ править ]

Английский профессор химии по имени Джон Фредерик Дэниелл нашел способ решить проблему водородного пузыря в гальванической батарее, используя второй электролит для потребления водорода, производимого первым. В 1836 году он изобрел ячейку Даниэля , которая состоит из медного горшка, наполненного раствором сульфата меди , в который погружен неглазурованный глиняный сосуд, наполненный серной кислотой, и цинковый электрод. Глиняная барьер является пористой, что позволяет ионам проходить через , но сохраняет решения от смешивания.

Элемент Даниэля был большим усовершенствованием существующей технологии, которая использовалась на заре разработки батарей, и стала первым практическим источником электричества. Он обеспечивает более длительный и надежный ток, чем гальванический элемент. Кроме того, он более безопасен и менее агрессивен. Его рабочее напряжение составляет примерно 1,1 В. Вскоре он стал отраслевым стандартом, особенно в новых телеграфных сетях.

Ячейка Даниэля также использовалась как первый рабочий эталон для определения вольта , который является единицей электродвижущей силы . ^[6]

Птичья клетка [ править ]

Вариант клетки Даниэля был изобретен в 1837 году врачом больницы Гая Голдингом Бердом, который использовал гипсовый барьер для разделения растворов. Эксперименты Берда с этой ячейкой сыграли важную роль в новой области электрометаллургии .

Ячейка пористого горшка [ править ]

Версия ячейки Даниэля в пористом горшке была изобретена Джоном Дэнсером , ливерпульским производителем инструментов, в 1838 году. Она состоит из центрального цинкового анода, погруженного в пористый глиняный горшок, содержащий раствор сульфата цинка . Пористая горшок, в свою очередь, погружают в раствор сульфата меди , содержащейся в меди банку, который действует как клетки катода . Использование пористого барьера позволяет ионам проходить сквозь них, но не дает растворам перемешиваться.

Гравитационная ячейка [ править ]

В 1860-х годах француз Калло изобрел вариант ячейки Даниэля, названный гравитационной ячейкой . В этой более простой версии не использовался пористый барьер. Это снижает внутреннее сопротивление системы и, таким образом, аккумулятор дает более сильный ток. Он быстро стал предпочтительной батареей для американских и британских телеграфных сетей и широко использовался до 1950-х годов.

Гравитационная ячейка состоит из стеклянной емкости, в которой медный катод находится на дне, а цинковый анод подвешен под ободом. Кристаллы медного купороса разбрасываются вокруг катода, а затем сосуд наполняется дистиллированной водой. По мере прохождения тока вверху вокруг анода образуется слой раствора сульфата цинка. Этот верхний слой отделен от нижнего слоя сульфата меди из-за его более низкой плотности и полярности ячейки.

Слой сульфата цинка прозрачен по сравнению с темно-синим слоем сульфата меди, что позволяет технику с первого взгляда измерить срок службы батареи. С другой стороны, такая установка означает, что аккумулятор можно использовать только в стационарном приборе, иначе растворы смешаются или разольются. Другой недостаток состоит в том, что необходимо постоянно пропускать ток, чтобы два раствора не смешивались путем диффузии, поэтому он не подходит для периодического использования.

Ячейка Поггендорфа [ править ]

Немецкий ученый Иоганн Кристиан Поггендорф преодолел проблемы с разделением электролита и деполяризатора, используя пористый глиняный горшок в 1842 году. В ячейке Поггендорфа , иногда называемой ячейкой Грене из-за работ Юджина Грене около 1859 года, электролит представляет собой разбавленную серную кислоту и деполяризатор - хромовая кислота. Две кислоты физически смешиваются вместе, устраняя пористую емкость. Положительный электрод (катод) представляет собой две углеродные пластины, между которыми расположена цинковая пластина (отрицательная или анодная). Из-за склонности кислотной смеси к реакции с цинком предусмотрен механизм, позволяющий очистить цинковый электрод от кислот.

Ячейка выдает 1,9 вольт. В течение многих лет он пользовался популярностью у экспериментаторов из-за своего относительно высокого напряжения; большая способность производить постоянный ток и отсутствие каких-либо паров, но относительная хрупкость его тонкого стеклянного корпуса и необходимость поднимать цинковую пластину, когда элемент не используется, в конечном итоге привели к тому, что он потерял популярность. Клетка была также известна как «клетка хромовой кислоты», но главным образом как «клетка бихромата». Это последнее название произошло из-за практики производства хромовой кислоты путем добавления серной кислоты к дихромату калия, хотя сама ячейка не содержит дихромата.

Ячейка Фуллера была разработана на основе ячейки Поггендорфа. Хотя химический состав в основном тот же, две кислоты снова разделяются пористым контейнером, и цинк обрабатывается ртутью с образованием амальгамы .

Клетка Рощи [ править ]

Клеток Гроув был изобретен валлиец Грове в 1839. Он состоит из цинкового анода , смоченной в серной кислоте и платины катода , смоченной в азотной кислоте , разделенных пористой керамики . Ячейка Grove обеспечивает высокий ток и почти вдвое большее напряжение, чем ячейка Daniell, что сделало ее на какое-то время излюбленной ячейкой американских телеграфных сетей. Однако при работе он выделяет ядовитые пары оксида азота . Напряжение также резко падает по мере уменьшения заряда, что стало проблемой, когда телеграфные сети стали более сложными. Платина была и остается очень дорогой.

Дун ячейка [ править ]

Альфред Дун 1885, нитромоляная кислота ( царская водка ) - железо и углерод

В новом элементе можно с успехом использовать в качестве возбуждающей жидкости, в первом случае, такие растворы, которые в концентрированном состоянии обладают большой деполяризующей способностью, которая химически влияет на всю деполяризацию без необходимости использования механических средств увеличения поверхности углерода. Предпочтительно использовать железо в качестве положительного электрода и в качестве возбуждающей жидкости соляной нитросодержащей кислоты ( aqua regis,) смесь, состоящая из соляной и азотной кислот. Нитро-соляная кислота, как объяснено выше, служит для заполнения обеих клеток. Для углеродных ячеек он используется сильным или очень немного разбавленным, но для других ячеек очень разбавленным (примерно одна двадцатая, или самое большее, одна десятая). Элемент, содержащий в одной ячейке углерод и концентрированную нитро-соляную кислоту. а в другом элементе железо и разбавленная нитромоляная кислота остаются постоянными в течение по крайней мере двадцати часов при использовании для освещения электрическими лампами накаливания. ( стр. 80 в Google Книгах)

Аккумуляторные батареи и сухие элементы [ править ]

Свинцово-кислотный [ править ]

До этого момента все существующие батареи полностью разряжались, когда все их химические реакции заканчивались. В 1859 году Гастон Планте изобрел свинцово-кислотную батарею , первую в мире батарею, которую можно было заряжать, пропуская через нее обратный ток. Свинцово-кислотный элемент состоит из свинцового анода и катода из диоксида свинца, погруженных в серную кислоту . Оба электрода реагируют с кислотой с образованием сульфата свинца , но реакция на свинцовом аноде высвобождает электроны, в то время как реакция на диоксиде свинца поглощает их, производя ток. Эти химические реакции можно обратить вспять, пропустив через батарею обратный ток, тем самым перезарядив ее.

Первая модель Планте состояла из двух свинцовых листов, разделенных резиновыми полосками и скрученных по спирали. ^[7] Его батареи впервые были использованы для питания фонарей в вагонах поездов, когда он остановился на станции. ^{[ необходимая цитата ]} В 1881 году Камилла Альфонса Фор изобрела улучшенную версию, которая состоит из свинцовой решетки, в которую вдавливается паста из оксида свинца, образуя пластину. Несколько пластин можно штабелировать для большей производительности. Такую конструкцию легче производить в серийном производстве.

По сравнению с другими батареями, Planté довольно тяжелый и громоздкий из-за того количества энергии, которое он может удерживать. Тем не менее, он может производить очень большие скачки тока. Он также имеет очень низкое внутреннее сопротивление, что означает, что одна батарея может использоваться для питания нескольких цепей. ^[5]

Свинцово-кислотные батареи до сих пор используются в автомобилях и других устройствах, где вес не имеет большого значения. Основной принцип не изменился с 1859 года. В начале 1930-х годов гелевый электролит (вместо жидкости), полученный путем добавления диоксида кремния в заряженный элемент, использовался в батареях LT портативных радиоприемников с электронными лампами . В 1970-х годах стали распространены «герметичные» версии (широко известные как « гелевый элемент » или « SLA »), позволяющие использовать батарею в разных положениях без сбоев или утечек.

Сегодня элементы классифицируются как «первичные», если они производят ток только до тех пор, пока их химические реагенты не исчерпаны, и «вторичные», если химические реакции можно обратить вспять путем перезарядки элемента. Свинцово-кислотный элемент был первым «вторичным» элементом.

Ячейка Лекланше [ править ]

В 1866 году Жорж Лекланше изобрел батарею, которая состоит из цинкового анода и катода из диоксида марганца, обернутых пористым материалом, погруженных в банку с раствором хлорида аммония . Катод из диоксида марганца также содержит небольшое количество углерода, что улучшает проводимость и поглощение. ^[8] Он обеспечивал напряжение 1,4 вольт. ^[9] Эта ячейка очень быстро достигла успеха в телеграфии, сигнализации и работе с электрическими звонками.

Форма с сухими элементами использовалась для питания первых телефонов - обычно из соседнего деревянного ящика, прикрепленного для установки батарей, прежде чем телефоны могли получать питание от самой телефонной линии. Ячейка Лекланше не может обеспечивать постоянный ток в течение длительного времени. При длительных разговорах батарея разряжалась, и разговор был неслышным. ^[10] Это связано с тем, что определенные химические реакции в ячейке увеличивают внутреннее сопротивление и, таким образом, снижают напряжение. Эти реакции меняются на противоположные, когда аккумулятор не используется, поэтому он подходит только для периодического использования. ^[5]

Цинк-углеродная ячейка, первая сухая ячейка [ править ]

Многие экспериментаторы пытались иммобилизовать электролит электрохимической ячейки, чтобы сделать ее более удобной в использовании. Zamboni свая 1812 является сухой батареей высокого напряжения , но способная доставлять только минуту токов. Были проведены различные эксперименты с целлюлозой , опилками , стекловолокном , асбестовыми волокнами и желатином . ^[11]

В 1886 году Карл Гасснер получил немецкий патент ^[12] на вариант элемента Лекланше, который стал известен как сухой элемент, потому что он не имеет свободного жидкого электролита. Вместо этого хлорид аммония смешивают с гипсом для создания пасты с добавлением небольшого количества хлорида цинка для продления срока хранения. Диоксида марганца катод опускают в этих пастах, и оба они запечатаны в цинковой оболочке, который также выступает в качестве анода. В ноябре 1887 года он получил патент США 373 064 на то же устройство.

В отличие от предыдущих влажных ячеек, сухая ячейка Гасснера более прочная, не требует обслуживания, не проливается и может использоваться в любом положении. Он обеспечивает потенциал 1,5 вольта. Первой серийно выпускаемой моделью была сухая ячейка Columbia, впервые поступившая на рынок National Carbon Company в 1896 году. ^[13] NCC улучшила модель Гасснера, заменив гипс на спиральный картон , нововведение, которое оставило больше места для катода и упростил сборку аккумулятора. Это была первая удобная батарея для широких масс, которая сделала портативные электрические устройства практичными и привела непосредственно к изобретению фонарика .

Угольно-цинковые батареи (как это стало известно) до сих пор производится сегодня.

Параллельно с этим в 1887 году Вильгельм Хеллесен разработал собственную конструкцию сухой камеры. Утверждалось, что дизайн Хеллесена предшествовал дизайну Гасснера. ^[14]

В 1887 году Яй Сакидзо (屋 井 先) из Японии разработал сухую батарею , а затем запатентовал ее в 1892 году. ^{[15] [16]} В 1893 году сухая батарея Яи Сакидзо была выставлена ​​на Всемирной Колумбийской выставке и привлекла значительное международное внимание. .

NiCd, первая щелочная батарея [ править ]

В 1899 году шведский ученый Вальдемар Юнгнер изобрел никель-кадмиевую батарею , перезаряжаемую батарею с никелевыми и кадмиевыми электродами в растворе гидроксида калия ; первая батарея, в которой используется щелочной электролит. Он был коммерциализирован в Швеции в 1910 году и попал в Соединенные Штаты в 1946 году. Первые модели были прочными и имели значительно лучшую удельную энергию, чем свинцово-кислотные батареи, но были намного дороже.

20 век: новые технологии и повсеместное распространение [ править ]

Никель-железо [ править ]

Вальдемар Юнгнер запатентовал никель-железную батарею в 1899 году, в том же году, что и патент на никель-кадмиевую батарею, но обнаружил, что она уступает своему кадмиевому аналогу, и, как следствие, никогда не беспокоился о ее разработке. ^[17] При зарядке он производил намного больше газообразного водорода, что означало, что его нельзя было герметично закрыть, а процесс зарядки был менее эффективным (однако был дешевле).

Увидев способ получить прибыль на и без того конкурентном рынке свинцово-кислотных батарей, Томас Эдисон в 1890-х годах работал над разработкой щелочной батареи, на которую он мог получить патент. Эдисон думал, что если он будет производить легкие и прочные аккумуляторные электромобили, они станут стандартом, а его фирма будет основным поставщиком аккумуляторов. После многих экспериментов, вероятно, позаимствованных у Юнгнера, в 1901 году он запатентовал никель-железную батарею на щелочной основе ^[18].Однако заказчики обнаружили, что его первая модель щелочной никель-железной батареи склонна к утечкам, приводящим к короткому сроку службы батареи, и она также не намного превосходит свинцово-кислотные элементы. Хотя семь лет спустя Эдисон смог создать более надежную и мощную модель, к тому времени недорогая и надежная модель T Ford сделала автомобили с бензиновым двигателем стандартом. Тем не менее, аккумулятор Эдисона добился большого успеха в других приложениях, таких как электрические и дизель-электрические рельсовые транспортные средства, обеспечивая резервное питание для сигналов железнодорожного переезда или для обеспечения питания ламп, используемых в шахтах. ^{[19] [20]}

Обычные щелочные батареи [ править ]

До конца 1950-х годов угольно-цинковые батареи оставались популярными первичными батареями, но их относительно низкий срок службы батарей ограничивал продажи. Канадскому инженеру Льюису Урри , работающему в Union Carbide , сначала в National Carbon Co. в Онтарио, а к 1955 году в исследовательской лаборатории National Carbon Company Parma в Кливленде , штат Огайо , было поручено найти способ продлить срок службы угольно-цинковые батареи. ^[21] Основываясь на более ранней работе Эдисона, Урри решил, что щелочные батареи более перспективны. ^[22] До тех пор, щелочнойбатареи были невероятно дорогими. Батарея Урри состоит из катода из диоксида марганца и порошкового цинкового анода со щелочным электролитом . Использование порошкового цинка увеличивает площадь поверхности анода. Эти батареи были поставлены на рынок в 1959 году ^{[ править ]}

Никель-водород и металлогидрид никеля [ править ]

Батареи никель-водородные вышли на рынок в качестве подсистемы хранения энергии для коммерческих спутников связи . ^{[23] [24]}

Первые никель-металлогидридные батареи потребительского класса (NiMH) для небольших приложений появились на рынке в 1989 году как вариант никель-водородной батареи 1970 - х годов . ^[25] NiMH аккумуляторы, как правило, имеют более длительный срок службы, чем NiCd аккумуляторы (и их срок службы продолжает увеличиваться, поскольку производители экспериментируют с новыми сплавами), и, поскольку кадмий токсичен, NiMH аккумуляторы менее вредны для окружающей среды.

Литиевые и литий-ионные батареи [ править ]

Литий - это металл с самой низкой плотностью, с наибольшим электрохимическим потенциалом и соотношением энергии к массе . Низкий атомный вес и небольшой размер его ионов также ускоряют его диффузию, предполагая, что он станет идеальным материалом для батарей. ^[26] Эксперименты с литиевыми батареями начались в 1912 году под руководством Г. Н. Льюиса , но коммерческие литиевые батареи не поступали на рынок до 1970-х годов. ^{[27] [28]} Трехвольтовые литиевые первичные элементы, такие как типа CR123A, и трехвольтовые кнопочные элементы все еще широко используются, особенно в камерах и очень маленьких устройствах.

В 1980-х годах произошли три важных события, касающихся литиевых батарей. В 1980 году американский химик Джон Б. Гуденаф открыл катод из LiCoO ₂ (положительный свинец), а марокканский ученый-исследователь Рашид Язами открыл графитовый анод (отрицательный свинец) с твердым электролитом. В 1981 году японские химики Токио Ямабе и Сидзукуни Ята открыли новый наноуглеродистый ПАС (полиацен) ^[29] и обнаружили, что он очень эффективен для анода в обычном жидком электролите. ^{[30] [31]} Это возглавляло исследовательскую группу под руководством Акиры Ёшино из Asahi Chemical, Япония, чтобы построить первый прототип литий-ионной батареи в 1985 году, перезаряжаемую и более стабильную версию литиевой батареи; Sony ввела в продажу литий-ионный аккумулятор в 1991 году. ^[32]

В 1997 году литий-полимерный аккумулятор был выпущен Sony и Asahi Kasei. Эти батареи содержат электролит в твердом полимерном композите, а не в жидком растворителе, а электроды и сепараторы прикреплены друг к другу. Последнее отличие позволяет заключать батарею в гибкую упаковку, а не в жесткий металлический корпус, что означает, что таким батареям можно придать особую форму, подходящую для конкретного устройства. Это преимущество позволило использовать литий-полимерные батареи в конструкции портативных электронных устройств, таких как мобильные телефоны и персональные цифровые помощники , а также в радиоуправляемых самолетах , поскольку такие батареи обеспечивают более гибкую и компактную конструкцию. У них обычно более низкая плотность энергии чем обычные литий-ионные батареи.

В 2019 году Джон Б. Гуденаф , М. Стэнли Уиттингем и Акира Йошино были удостоены Нобелевской премии по химии за разработку литий-ионных батарей. ^[33]

См. Также [ править ]

Примечания и ссылки [ править ]