Краткая история аккумулятора

27 января 2025

Эксперименты

В 1749 году Бенджамин Франклин, американский эрудит и отец-основатель, впервые использовал термин «аккумулятор» для описания набора соединенных конденсаторов, которые он использовал для своих экспериментов с электричеством. Эти конденсаторы представляли собой панели из стекла, покрытые металлом на каждой поверхности. Эти конденсаторы заряжались с помощью статического генератора и разряжались путем прикосновения металла к электроду. Соединение их вместе в «батарейку» давало более сильный разряд. Сначала этот термин имел общее значение «группы двух или более подобных объектов, функционирующих вместе», как в артиллерийской батарее, а затем стал использоваться для вольтовых столбов и подобных устройств, в которых многие электрохимические элементы соединены между собой по способу Франклина. конденсаторы. Сегодня даже один электрохимический элемент, или сухой элемент, обычно называют батареей.

Изобретение

Луиджи Гальвани был итальянским врачом, физиком, биологом и философом, открывшим животное электричество. В 1780 году он и его жена Люсия обнаружили, что мышцы кавычек мертвых лягушек вздрагивают, когда в них попадает электрическая искра. Гальвани считал, что энергия, побудившая к этому сокращению, происходит от самой ноги. Он назвал «животное электричество», когда два разных металла были соединены последовательно с помощью лягушачьей кавычки и друг с другом.

Однако Алессандро Вольта – итальянский физик и химик – друг и коллега Луиджи Гальвани, не согласился с этим, считая, что это явление вызвано двумя разными металлами, соединенными вместе влажным посредником. Он проверил эту гипотезу с помощью эксперимента и опубликовал результаты в 1791 году. В 1800 году Вольта изобрел первую настоящую батарею, которая стала известна как вольтовая батарея. Вольтовая куча состояла из пар медных и цинковых дисков, наложенных друг на друга, разделенных слоем ткани или картона, смоченного рассолом (т.е. электролитом). В отличие от Лейденской банки, вольтовая куча производила непрерывное электричество и стабильный ток и теряла незначительный заряд со временем, когда не использовалась, хотя его ранние модели не могли производить напряжение, достаточное для возникновения искр. Он экспериментировал с разными металлами и обнаружил, что цинк и серебро дают лучшие результаты.

Вольта считал, что ток является результатом простого касания двух различных материалов – устаревшая научная теория, известная как контактное натяжение – а не результат химических реакций. Как следствие, он рассматривал коррозию цинковых пластин как несвязанный недостаток, который, возможно, можно было бы исправить, изменив материалы. Однако ни одному ученому так и не удалось предотвратить эту коррозию. На самом деле было подмечено, что коррозия происходит быстрее, когда потребляется больший ток. Это свидетельствует о том, что коррозия была неотъемлемой частью способности батареи производить ток. Это, в частности, привело к отказу от теории контактного натяжения Вольты в пользу электрохимической теории.

Оригинальные свайные модели Volta имели некоторые технические недостатки, один из которых связан с утечкой электролита и короткими замыканиями из-за веса дисков, сжимающих смоченную рассолом ткань. Уильям Круикшенк, шотландский военный хирург и химик, решил эту проблему, положив элементы в коробку, а не складывая их в стопку. Это было известно как батарея корыта. Сам Вольта изобрел вариант, состоявший из цепи чашек, наполненных раствором соли, соединенных между собой металлическими дугами, погруженными в жидкость. Это было известно как корона кубков. Эти дуги были изготовлены из двух различных металлов (например, цинка и меди), спаянных вместе. Эта модель также оказалась более эффективной, чем его оригинальные сваи, хотя она не оказалась столь популярной.

Другой проблемой с батареями Volta был короткий срок службы батареи (в лучшем случае цена часа), что было вызвано двумя явлениями. Первое заключалось в том, что производимый ток электролизовал раствор электролита, в результате чего на меди образовывалась пленка из пузырьков водорода, постоянно увеличивавшая внутреннее сопротивление батареи (этот эффект, называемый поляризацией, в современных элементах нейтрализуется дополнительными мерами). Другим было явление, которое называется локальным действием, когда вокруг примесей в цинке образовывалось кратковременное замыкание, что приводило к деградации цинка. Последняя проблема была решена в 1835 году английским изобретателем Уильямом Стердженом, обнаружившим, что амальгамированный цинк, поверхность которого была обработана некоторым количеством ртути, не страдает от локального действия.

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

Первые практичные аккумуляторы

Ячейка Даниэля
Английский профессор химии по имени Джон Фредерик Даниэлл нашел способ решить проблему пузырей водорода вместе Вольта, используя второй электролит для потребления водорода, произведенного первым. В 1836 году он изобрел ячейку Даниэля, состоящую из медной емкости, наполненной раствором медного купороса, в которую погружена неглазированная глиняная емкость, наполненная серной кислотой, и цинковый электрод. Глиняный барьер порист, пропускает ионы, но предотвращает смешивание растворов.

Элемент Daniell был большим усовершенствованием по сравнению с существующей технологией, которая использовалась в начале разработки аккумуляторов, и являлся первым практическим источником электроэнергии. Он обеспечивает более длинный и более надежный ток, чем вольтовая ячейка. Это также более безопасно и менее коррозионно. Он имеет рабочее напряжение около 1,1 вольт. В скором времени это стало отраслевым стандартом использования, особенно с новыми телеграфными сетями.

Элемент Даниэля также использовался как первый рабочий стандарт для определения вольта, являющегося единицей электродвижущей силы.

Птичья клетка
Вариант клетки Даниэля был изобретен в 1837 году врачом больницы Гая Голдинг Бердом, который использовал гипсовый барьер для разделения растворов. Эксперименты Берда с этой ячейкой имели определенное значение для новой дисциплины электрометаллургии.

Пористая горшковая ячейка
Пористая горшечная версия ячейки Даниэля была изобретена Джоном Дансером, производителем приборов из Ливерпуля, в 1838 году. Она состоит из центрального цинкового анода, погруженного в пористый фаянсовый горшок, содержащий раствор сульфата цинка. Пористый горшок, в свою очередь, погружается в раствор медного купороса, содержащегося в медном баке, который действует как катод ячейки. Использование ячеистого барьера позволяет ионам проходить, но удерживает растворы от смешивания.

Гравитационная ячейка
В 1860-х годах француз по имени Каллов изобрел разновидномерки Даниэля под названием гравитационная ячейка. Эта более простая версия не нуждается в пористом барьере. Это уменьшает внутреннее сопротивление системы, и, таким образом, батарея издает более сильный ток. Он быстро стал батареей выбора для американских и британских телеграфных сетей и широко использовался до 1950-х годов.

Гравитационная ячейка состоит из стеклянной банки, в которой медный катод расположен на дне, а цинковый анод подвешен под ободком. Кристаллы медного купороса разбрасывают вокруг катода, а затем банку заполняют дистиллированной водой. При потреблении тока вверху вокруг анода образуется слой раствора сульфата цинка. Этот верхний слой удерживается отдельно от нижнего слоя сульфата меди из-за меньшей плотности и полярности ячейки.

Слой сульфата цинка прозрачен в отличие от темно-синего слоя сульфата меди, что позволяет технику одним взглядом оценить время работы батареи. С другой стороны, такая настройка означает, что батарею можно использовать только в стационарном приборе, в противном случае растворы смешиваются или разливаются. Другим недостатком является то, что для предотвращения смешивания двух растворов через диффузию необходимо постоянно потреблять ток, поэтому он непригоден для периодического использования.

Ячейка Поггендорфа
Немецкий ученый Иоганн Кристиан Поггендорф преодолел проблемы с разделением электролита и деполяризатора с помощью пористой глиняной емкости в 1842 году. В ячейке Поггендорфа, которую иногда называют ячейкой Грене благодаря работам Юджина Грене около 1859 года, электролит является разбавленным серным раствором. кислота, а деполяризатором является хромовая кислота. Две кислоты физически смешиваются вместе, устраняя пористый горшок. Положительный электрод (катод) — это две угольные пластины, между которыми расположена цинковая пластина (отрицательная или анод). Из-за склонности кислотной смеси реагировать с цинком предусмотрен механизм, очищающий цинковый электрод от кислот.

Элемент снабжает 1,9 вольта. Он был популярен среди экспериментаторов на протяжении многих лет благодаря своему относительно высокому напряжению; большая способность производить постоянный ток и отсутствие каких-либо испарений, но относительная хрупкость его тонкого стеклянного корпуса и необходимость поднимать цинковую пластину, когда элемент не используется, привели к тому, что он теряет популярность. Эта клетка была также известна как "клетка хромовой кислоты", но преимущественно как "бихроматная клетка". Это последнее название происходит от практики производства хромовой кислоты путем добавления серной кислоты в бихромат калия, хотя сама клетка не содержит дихромата.

Ячейка Фуллера была разработана из клетки Поггендорфа. Хотя химия в основном одинакова, две кислоты снова разделены пористым контейнером, а цинк обрабатывается ртутью для образования амальгамы.

Ячейка Гроува
Ячейка Гроува была изобретена валлийцем Уильямом Робертом Гроувом в 1839 году. Она состоит из цинкового анода, погруженного в серную кислоту, и платинового катода, погруженного в азотную кислоту, разделенных пористой фаянсовой посудой. Ячейка Grove обеспечивает высокий ток и почти вдвое большее напряжение чем ячейка Daniell, что сделало ее любимой ячейкой американских телеграфных сетей на некоторое время. Однако при работе он выделяет ядовитые пары оксида азота. Напряжение, когда заряд уменьшается, становится проблемой, поскольку телеграфные сети усложняются. Платина была и остается очень дорогой.

Аккумуляторные батареи и сухие элементы

Свинцово-кислотные
К этому моменту все существующие батареи были бы окончательно разряжены, когда все химические реакции были израсходованы. В 1859 году Гастон Планте изобрел свинцово-кислотную батарею, первую в истории 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, образуя сульфат свинца, но реакция на свинцовом аноде высвобождает электроны, тогда как реакция на диоксиде свинца потребляет их, образуя ток. Эти химические реакции можно отменить, пропустив через батарею обратный ток, тем самым зарядив ее.

Первая модель Planté состояла из двух свинцовых листов, разделенных резиновыми лентами и свернутых в спираль. Его батареи впервые использовались для питания света в вагонах при остановке на станции. В 1881 году Камиль Альфонс Фор изобрел усовершенствованную версию, состоящую из свинцовой решетки, в которую вдавлена паста оксида свинца, образуя пластину. Для лучшей производительности можно составлять несколько пластинок. Такую конструкцию легче производить массово.

По сравнению с другими аккумуляторами, Planté является достаточно тяжелым и громоздким по количеству энергии, которое он может вместить. Однако он может создавать чрезвычайно большие токи во время скачков. Он также имеет очень низкое сопротивление, что означает, что одну батарею можно использовать для питания нескольких цепей. [5]

Свинцово-кислотная батарея все еще используется сегодня в автомобилях и других областях применения, 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 кремнезема в заряженную ячейку, использовался в батарее LT портативных вакуумных радиоприемников. В 1970-х годах "герметичные" версии стали распространенными (широко известные как "гелевые элементы" или "SLA"), что позволяло использовать батарею в разных положениях без поломки или утечки.

Сегодня клетки классифицируются как «первичные», если они производят ток только до тех пор, пока не иссякнут их химические реагенты, и «вторичные», если химические реакции можно вернуть путем перезарядки элемента . Свинцово-кислотный элемент являлся первым «вторичным» элементом .

Элемент Лекланше
В 1866 году Жорж Лекланше изобрел батарею, состоящую из цинкового анодакатодаза диоксида марганца, завернутых в пористый материал, погруженный в банку с раствором хлорида аммония. Катодиз диоксида марганца также содержит немного углерода, улучшающего проводимость и поглощение. Он обеспечивал напряжение 1,4 вольта. Эта ячейка достигла очень быстрого успеха в телеграфии, сигнализации и работе с электрозвонком.

Форму сухого элемента использовали для питания ранних телефонов – обычно из соседней деревянной коробки, прикрепленной к батарейкам, прежде чем телефоны могли получать электроэнергию от самой телефонной линии. Элемент Лекланше не может обеспечивать продолжительный ток. Во время длительных разговоров батарея разряжалась, из-за чего разговора не было слышно. Это объясняется тем, что определенные химические реакции в клетке увеличивают внутреннее сопротивление и, таким образом, снижают напряжение. Эти реакции изменяются, когда батарея не работает, поэтому она подходит только для периодического использования.

Цинк-углеродный элемент, первый сухой элемент
Многие экспериментаторы пытались обездвижить электролит электрохимического элемента, чтобы сделать его более удобным в использовании. Сваи Замбони 1812 года — это сухая батарея высокого напряжения, но способная выдавать только небольшой ток. Были проведены различные эксперименты с целлюлозой, опилками, топленым стеклом, асбестовыми волокнами и желатином.

В 1886 году Карл Гасснер получил немецкий патент на варианте элемента Лекланше, который стал известен как сухой элемент, поскольку он не имеет свободного жидкого электролита. Вместо этого хлорид аммония смешивают с гипсом для создания пасты с добавлением небольшого количества цинка хлорида, чтобы продлить срок годности. Катод из диоксида марганца погружают в пасту, и оба закрываются в цинковой оболочке, которая также действует как анод . В ноябре 1887 года он получил патент США 373 064 на то же устройство.

В отличие от предыдущих влажных камер, сухая камера Гасснера более крепкая, не нуждается в обслуживании, не проливается и может использоваться в любой ориентации. Он обеспечивает потенциал в 1,5 вольта. Первой массово производимой моделью был сухой элемент Columbia, впервые продавший National Carbon Company в 1896 году. NCC усовершенствовал модель Гасснера, заменив гипс на свернутый картон, инновация, которая оставила больше места для катода и облегчила сборку батареи. Это была первая удобная батарея для широких масс, которая сделала портативные электрические устройства практичными и непосредственно привела к изобретению фонарика.

NiCd, первая щелочная батарея
В 1899 году шведский ученый по имени Вальдемар Юнгнер изобрел никель-кадмиевую батарею, аккумуляторную батарею, имеющую никелевые и кадмиевые электроды в растворе гидроксида калия; первая батарея со щелочным электролитом. Его начали коммерциализировать в Швеции в 1910 году, а в Соединенных Штатах он попал в 1946 году. Первые модели были надежными и имели значительно лучшую плотность энергии, чем свинцово-кислотные батареи, но были гораздо дороже.

20 век: новые технологии и повсеместность
Железо – никель
Никель-железо батареи, изготовленные между 1972 и 1975 годами под брендом «Exide», первоначально разработанным в 1901 году Томасом Эдисоном.

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. Он производил гораздо больше водорода во время зарядки, то есть его нельзя было запечатать, а процесс зарядки был менее эффективным (однако он был дешевле).

Видя способ получения прибыли на уже конкурентном рынке свинцово-кислотных аккумуляторов, 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 долговечные электромобили с аккумуляторами, то они станут стандартом, а его фирма станет основным поставщиком аккумуляторов. После многих экспериментов и, вероятно, заимствуя дизайн Юнгнера, он запатентовал щелочную никель-железную батарею в 1901 году. Однако клиенты обнаружили, что его первая модель щелочной никель-железной батареи подвержена утечке, что привело к короткому сроку службы батареи, и она также не слишком превзошла свинцово-кислотный элемент. Несмотря на то, что через семь лет Эдисон смог изготовить более надежную и мощную модель, к тому времени недорогая и надежная Model T Ford сделала автомобили с бензиновыми двигателями стандартом. Тем не менее, батарея Эдисона добилась большого успеха в других приложениях, таких как электрические и дизель-электрические железнодорожные транспортные средства, обеспечение резервного питания для сигналов железнодорожных переездов или обеспечение питания ламп, используемых в шахтах.

Обычные щелочные батареи
К концу 1950-х годов угольно-цинковая батарея продолжала быть популярной основной батареей, но ее относительно низкое время работы тормозило продажи. В 1955 году инженеру по имени Льюис Урри, работавшему на Union Carbide в Пармской исследовательской лаборатории National Carbon Company, было поручено найти способ продлить срок службы углеродных цинковых батарей, но Урри решил, что щелочные батареи более перспективны. К тому времени долговременные щелочные батареи были нереально дорогими. Аккумулятор Urry состоит из катода из диоксида марганца и порошкообразного цинкового анода с щелочным электролитом. Использование порошкообразного цинка дает аноду большую площадь поверхности. Эти батареи были выпущены на рынок в 1959 году.

Никель-водородная и никель-метал-гидридная

никель-водородная батарея вышла на рынок как подсистема накопления энергии для коммерческих спутников связи.

Первые потребительские никель-металл-гидридные батареи (NiMH) для небольших применений появились на рынке в 1989 году как вариант никель-водородной батареи 1970-х годов. Как правило, никель-металлогидридные батареи имеют больший срок службы, чем никель-кадмиевые батареи (и их срок службы продолжает увеличиваться, поскольку производители экспериментируют с новыми сплавами), а поскольку кадмий токсичен, никель-металгидридные батареи менее вредны для окружающей среды.

Литий и литий – ионные батареи
Литий представляет собой металл с самой низкой плотностью и наибольшим электрохимическим потенциалом и соотношением энергии к весу. Низкий атомный вес и малый размер его ионов также ускоряют его диффузию, предполагая, что он станет идеальным материалом для батарей. н. Льюиса, но коммерческие литиевые батареи не вышли на рынок до 1970-х годов. Трехвольтные литиевые первичные элементы, такие как тип CR123A и трехвольтные кнопочные элементы, все еще широко используются, особенно в камерах и очень маленьких устройствах.

В 1980-х годах произошли три важных события в отношении литиевых батарей. В 1980 году американский химик Джон Б. Гуденаф открыл LiCoO 2 катод (положительный свинец), а марокканский исследователь Рачид Язами открыл графитовый анод (отрицательный свинец) с твердым электролитом. В 1981 году японские химики Токио Ямабе и Шизукуни Ята открыли новый наноуглеродистый PAS (полиацен). и обнаружил, что это очень эффективно для анода в обычном жидком электролите. Это побудило исследовательскую группу под руководством Акиры Йошино из Asahi Chemical, Япония, создать первый прототип литий-ионной батареи в 1985 году, перезаряжаемую и более стабильную версию литиевой батареи; В 1991 году компания Sony выпустила литий-ионный аккумулятор.

В 1997 году Sony и Asahi Kasei выпустили литий-полимерный аккумулятор. Эти батареи содержат электролит в твердом полимерном композите, а не в жидком растворителе, а электроды и сепараторы ламинированы друг к другу. Последнее отличие позволяет помещать батарею в гибкую упаковку, а не в жесткий металлический корпус, что означает, что такие батареи могут иметь специальную форму в соответствии с конкретным устройством. Это преимущество предпочитает литий-полимерные батареи в дизайне портативных электронных устройств, таких как мобильные телефоны и персональные цифровые помощники, а также радиоуправляемых летательных аппаратов, поскольку такие батареи обеспечивают более гибкий и компактный дизайн. Обычно они имеют более низкую плотность энергии, чем обычные литий – ионные батареи.

В 2019 году Джон Б. Гуденаф, М.Г. Стэнли Виттингем и Акира Йошино получили Нобелевскую премию по химии 2019 года за разработку литий – ионных аккумуляторов.

Свяжитесь с нами для получения последних обновлений о наших продуктах и событиях.

Как связаться с нами?