Експерименти
У 1749 році Бенджамін Франклін , американський ерудит і батько-засновник, уперше використав термін « батарея » для опису набору з’єднаних конденсаторів, які він використовував для своїх експериментів з електрикою. Ці конденсатори являли собою панелі зі скла, покриті металом на кожній поверхні. Ці конденсатори заряджалися за допомогою статичного генератора та розряджалися шляхом дотику металу до електрода . З'єднання їх разом в « батарейку » давало сильніший розряд. Спочатку цей термін мав загальне значення «групи двох або більше подібних об’єктів, що функціонують разом», як у артилерійській батареї , а потім став використовуватись для вольтових стовпів і подібних пристроїв, у яких багато електрохімічних елементів з’єднані між собою у спосіб Франкліна. конденсатори. Сьогодні навіть один електрохімічний елемент , або сухий елемент , зазвичай називають батареєю .
Винахід
Луїджі Гальвані був італійським лікарем, фізиком, біологом і філософом, який відкрив тваринну електрику . У 1780 році він і його дружина Люсія виявили, що м’язи лапок мертвих жаб здригаються, коли в них потрапляє електрична іскра. Гальвані вважав, що енергія, яка спонукала це скорочення, походить від самої ноги. Він назвав «тваринну електрику », коли два різні метали були з’єднані послідовно за допомогою жаб’ячої лапки та один з одним.
Однак Алессандро Вольта – італійський фізик і хімік – друг і колега Луїджі Гальвані, не погодився з цим, вважаючи, що це явище спричинене двома різними металами, з’єднаними разом вологим посередником. Він перевірив цю гіпотезу за допомогою експерименту та опублікував результати в 1791 році. У 1800 році Вольта винайшов першу справжню батарею , яка стала відомою як вольтова батарея . Вольтова купа складалася з пар мідних і цинкових дисків, накладених один на одного, розділених шаром тканини або картону, змоченого розсолом (тобто електролітом ). На відміну від Лейденської банки, вольтова купа виробляла безперервну електрику та стабільний струм і втрачала незначний заряд з часом, коли не використовувалася, хоча його ранні моделі не могли виробляти напругу, достатню для виникнення іскор.Він експериментував з різними металами і виявив, що цинк і срібло дають найкращі результати.
Вольта вважав, що струм є результатом простого торкання двох різних матеріалів — застаріла наукова теорія, відома як контактний натяг — а не результат хімічних реакцій. Як наслідок, він розглядав корозію цинкових пластин як непов’язаний недолік, який, можливо, можна було б виправити, якось змінивши матеріали. Однак жодному вченому так і не вдалося запобігти цій корозії . Насправді було помічено, що корозія відбувається швидше, коли споживається більший струм. Це свідчить про те, що корозія насправді була невід’ємною частиною здатності батареї виробляти струм. Це, зокрема, призвело до відмови від теорії контактного натягу Вольти на користь електрохімічної теорії.
Оригінальні пальові моделі Volta мали деякі технічні недоліки, один із яких пов’язаний з витоком електроліту та спричиненням коротких замикань через вагу дисків, які стискають змочену розсолом тканину. Вільям Круікшенк , шотландський військовий хірург і хімік, вирішив цю проблему, поклавши елементи в коробку, а не складаючи їх у стопку. Це було відомо як батарея корита .Сам Вольта винайшов варіант, який складався з ланцюга чашок, наповнених розчином солі, з’єднаних між собою металевими дугами, зануреними в рідину. Це було відомо як корона кубків. Ці дуги були виготовлені з двох різних металів (наприклад, цинку та міді), спаяних разом. Ця модель також виявилася більш ефективною, ніж його оригінальні палі, хоча він не виявився таким популярним.
Іншою проблемою з батареями Volta був короткий термін служби батареї (у кращому випадку ціна години), що було спричинено двома явищами. Перше полягало в тому, що вироблений струм електролізував розчин електроліту , в результаті чого на міді утворювалася плівка з бульбашок водню, що постійно збільшувало внутрішній опір батареї ( цей ефект, званий поляризацією , у сучасних елементах нейтралізується додатковими заходами). Іншим було явище, яке називається локальною дією , коли довкола домішок у цинку утворювалося короткочасне замикання, що призводило до деградації цинку. Остання проблема була вирішена в 1835 році англійським винахідником Вільямом Стердженом , який виявив, що амальгамований цинк, поверхня якого була оброблена деякою кількістю ртуті, не страждає від локальної дії.
Незважаючи на недоліки, батареї Вольти забезпечують стабільніший струм, ніж лейденські банки, і зробили можливим багато нових експериментів і відкриттів, таких як перший електроліз води англійським хірургом Ентоні Карлайлом і англійським хіміком Вільямом Ніколсоном .
Перші практичні акумулятори
Комірка Даніеля
Англійський професор хімії на ім’я Джон Фредерік Даніелл знайшов спосіб вирішити проблему бульбашок водню вкупі Вольта, використовуючи другийелектролітдля споживання водню, виробленого першим. У 1836 році він винайшов комірку Даніеля, яка складається з мідної ємності, наповненої розчином мідного купоросу, в яку занурена неглазурована глиняна ємність, наповнена сірчаною кислотою, і цинковийелектрод. Глиняний бар’єр є пористим, що пропускає іони, але запобігає змішуванню розчинів.
Елемент Daniell був великим удосконаленням у порівнянні з існуючою технологією, яка використовувалася на початку розробки акумуляторів , і був першим практичним джерелом електроенергії . Він забезпечує довший і надійніший струм, ніж вольтова комірка . Це також безпечніше та менш корозійно. Він має робочу напругу приблизно 1,1 вольт. Незабаром це стало галузевим стандартом використання, особливо з новими телеграфними мережами.
Елемент Даніеля також використовувався як перший робочий стандарт для визначення вольта , який є одиницею електрорушійної сили.
Пташина клітина
Варіант клітини Даніеля був винайдений у 1837 році лікарем лікарні Гая Голдінг Бердом , який використовував гіпсовий бар’єр, щоб розділити розчини. Експерименти Берда з цією коміркою мали певне значення для нової дисципліни електрометалургії.
Пориста горщикова комірка
Пориста горщикова версія комірки Даніеля була винайдена Джоном Дансером , виробником приладів з Ліверпуля, у 1838 році. Вона складається з центрального цинкового анода, зануреного в пористий фаянсовий горщик, який містить розчин сульфату цинку. Пористий горщик, у свою чергу, занурюється в розчин мідного купоросу, що міститься в мідному баку, який дієяк катод комірки . Використання пористого бар’єру дозволяє іонам проходити, але утримує розчини від змішування.
Гравітаційна комірка
У 1860-х роках француз на ім'яКалловинайшов різновидкомірки Даніеляпід назвою гравітаційна комірка. Ця простіша версія не потребує пористого бар’єру. Це зменшує внутрішній опір системи, і, таким чином,батареявидає сильніший струм. Він швидко ставбатареєювибору для американських і британських телеграфних мереж і широко використовувався до 1950-х років.
Гравітаційна комірка складається зі скляної банки, в якій мідний катод розташований на дні, а цинковий анод підвішений під обідком. Кристали мідного купоросу розкидають навколо катода , а потім банку заповнюють дистильованою водою. Під час споживання струму вгорі навколо анода утворюється шар розчину сульфату цинку . Цей верхній шар утримується окремо від нижнього шару сульфату міді через меншу щільність і полярність комірки .
Шар сульфату цинку прозорий на відміну від темно-синього шару сульфату міді, що дає змогу техніку одним поглядом оцінити час роботи батареї . З іншого боку, таке налаштування означає, що батарею можна використовувати лише в стаціонарному приладі, інакше розчини змішуються або розливаються. Іншим недоліком є те, що для запобігання змішування двох розчинів через дифузію необхідно постійно споживати струм, тому він непридатний для періодичного використання.
Комірка Поггендорфа
Німецький учений Йоган Крістіан Поггендорф подолав проблеми з розділенням електроліту та деполяризатора за допомогою пористої глиняної ємності в 1842 році. У комірці Поггендорфа , яку іноді називають коміркою Грене завдяки роботам Юджина Грене близько 1859 року, електроліт є розбавленим сірчаним розчином. кислота, а деполяризатором є хромова кислота. Дві кислоти фізично змішуються разом, усуваючи пористий горщик. Позитивний електрод ( катод ) — це дві вугільні пластини, між якими розташованацинкова пластина (негативна або анод ). Через схильність кислотної суміші реагувати з цинком передбачено механізм, який очищає цинковий електрод від кислот.
Елемент забезпечує 1,9 вольта. Він був популярним серед експериментаторів протягом багатьох років завдяки своїй відносно високій напрузі ; більша здатність виробляти постійний струм і відсутність будь-яких випарів, але відносна крихкість його тонкого скляного корпусу та необхідність піднімати цинкову пластину, коли елемент не використовується, зрештою призвели до того, що він втрачає популярність. Ця клітина була також відома як « клітина хромової кислоти », але переважно як «біхроматна клітина ». Ця остання назва походить від практики виробництва хромової кислоти шляхом додавання сірчаної кислоти до біхромату калію, хоча сама клітина не містить дихромату.
Комірка Фуллера була розроблена з клітини Поггендорфа . Хоча хімія в основному однакова, дві кислоти знову розділені пористим контейнером, а цинк обробляється ртуттю для утворення амальгами.
Комірка Гроува
Комірка Гроува була винайдена валлійцем Вільямом Робертом Гроувом у 1839 році. Вона складається з цинкового анода,зануреного в сірчану кислоту, і платинового катода, зануреного в азотну кислоту, розділених пористим фаянсовим посудом. КоміркаGroveзабезпечує високий струм і майже вдвічібільшу напругуніжкомірка Daniell, що зробило її улюбленоюкоміркоюамериканських телеграфних мереж на деякий час. Однак під час роботи він виділяє отруйні пари оксиду азоту. Напруга,коли заряд зменшується, що стає проблемою, оскільки телеграфні мережі ускладнюються. Платина була і залишається дуже дорогою.
Акумуляторні батареї та сухі елементи
Свинцево-кислотні
До цього моменту всі існуючі батареї були б остаточно розряджені, коли всі їхні хімічні реакції були витрачені. У 1859 році Гастон Планте винайшов свинцево-кислотну батарею , першу в історії батарею , яку можна було заряджати, пропускаючи через неї зворотний струм. Свинцево-кислотний елемент складається зі свинцевого анода та катода з діоксиду свинцю, занурених у сірчану кислоту. Обидва електроди реагують з кислотою, утворюючи сульфат свинцю, але реакція на свинцевому аноді вивільняє електрони, тоді як реакція на діоксиді свинцю споживає їх, утворюючи струм. Ці хімічні реакції можна скасувати, пропустивши через батарею зворотний струм , тим самим зарядивши її.
Перша модель Planté складалася з двох свинцевих листів, розділених гумовими стрічками та згорнутих у спіраль.Його батареї вперше використовувалися для живлення світла у вагонах під час зупинки на станції. У 1881 році Каміль Альфонс Фор винайшов вдосконалену версію, яка складається зі свинцевої решітки, в яку вдавлена паста оксиду свинцю, утворюючи пластину. Для кращої продуктивності можна складати декілька пластин. Таку конструкцію легше виробляти масово.
Порівняно з іншими акумуляторами, Planté є досить важким і громіздким щодо кількості енергії, яку він може вмістити. Однак він може створювати надзвичайно великі струми під час стрибків. Він також має дуже низький внутрішній опір, що означає, що одну батарею можна використовувати для живлення кількох ланцюгів. [5]
Свинцево-кислотна батарея все ще використовується сьогодні в автомобілях та інших сферах застосування, де вага не має великого значення. Основний принцип не змінився з 1859 року. На початку 1930-х років гелевий електроліт (замість рідини), отриманий шляхом додавання кремнезему в заряджену комірку , використовувався в батареї LT портативних вакуумних радіоприймачів. У 1970-х роках «герметичні» версії стали поширеними (широко відомі як «гелеві елементи » або «SLA»), що дозволяло використовувати батарею в різних положеннях без поломки або витоку.
Сьогодні клітини класифікуються як «первинні», якщо вони виробляють струм лише до тих пір, поки не вичерпаються їхні хімічні реагенти, і «вторинні», якщо хімічні реакції можна повернути шляхом перезарядки елемента . Свинцево-кислотний елемент був першим «вторинним» елементом .
Елемент Лекланше
У 1866 році Жорж Лекланше винайшовбатарею , яка складається з цинковогоанодакатодаз діоксиду марганцю, загорнутих у пористий матеріал, занурений у банку з розчином хлориду амонію.Катодіз діоксиду марганцютакож містить трохи вуглецю, що покращує провідність і поглинання. Він забезпечував напругу 1,4 вольта. Цей осередок досяг дуже швидкого успіху в телеграфії, сигналізації та роботі з електродзвінком.
Форму сухого елемента використовували для живлення ранніх телефонів — зазвичай із сусідньої дерев’яної коробки, прикріпленої до батарейок, перш ніж телефони могли отримувати електроенергію від самої телефонної лінії. Елемент Лекланше не може забезпечувати тривалий струм. Під час тривалих розмов батарея розряджалася, через що розмову було не чути. Це пояснюється тим, що певні хімічні реакції в клітині збільшують внутрішній опір і, таким чином, знижують напругу . Ці реакції змінюються, коли батарея не працює, тому вона підходить лише для періодичного використання.
Цинк-вуглецевий елемент , перший сухий елемент
Багато експериментаторів намагалися знерухомити електроліт електрохімічного елемента, щоб зробити його зручнішим у використанні. Паля Замбоні 1812 року — це суха батарея високої напруги , але здатна видавати лише невеликий струм. Були проведені різноманітні експерименти з целюлозою, тирсою, пряженим склом, азбестовими волокнами та желатином.
У 1886 році Карл Гасснер отримав німецький патент на варіанті елемента Лекланше , який став відомий як сухий елемент, оскільки він не має вільного рідкого електроліту . Замість цього хлорид амонію змішують із гіпсом для створення пасти з додаванням невеликої кількості хлориду цинку, щоб подовжити термін придатності. Катод із діоксиду марганцю занурюють у цю пасту, і обидва закриваються в цинковій оболонці, яка також діє як анод . У листопаді 1887 року він отримав патент США 373 064 на той самий пристрій.
На відміну від попередніх вологих камер, суха камера Гасснера міцніша, не потребує обслуговування, не проливається і може використовуватися в будь-якій орієнтації. Він забезпечує потенціал в 1,5 вольта. Першою масово виробленою моделлю був сухий елемент Columbia , який вперше продав National Carbon Company у 1896 році. NCC удосконалив модель Гасснера, замінивши гіпс на згорнутий картон, інновація, яка залишила більше місця для катода та полегшила збірку батареї . Це була перша зручна батарея для широких мас, яка зробила портативні електричні пристрої практичними та безпосередньо привела до винаходу ліхтарика.
Паралельно в 1887 році Вільгельм Геллесен розробив власну конструкцію сухої камери . Стверджується, що дизайн Хеллесена передував дизайну Гасснера.
У 1887 році Яй Сакідзо з Японії розробив суху батарею , яка була запатентована в 1892 році.У 1893 році суха батарея Яя Сакідзо була виставлена на Всесвітній колумбійській виставці та привернула значну увагу міжнародної спільноти.
NiCd, перша лужна батарея
У 1899 році шведський вчений на ім’я Вальдемар Юнгнер винайшов нікель-кадмієву батарею , акумуляторну батарею , яка має нікелеві та кадмієві електроди в розчині гідроксиду калію; перша батарея з лужним електролітом . Його почали комерціалізувати в Швеції в 1910 році, а в Сполучених Штатах він потрапив у 1946 році. Перші моделі були надійними та мали значно кращу щільність енергії , ніж свинцево-кислотні батареї, але були набагато дорожчими.
20 століття: нові технології та повсюдність
Залізо - нікель
Нікель-залізо батареї, виготовлені між 1972 і 1975 роками під брендом «Exide», спочатку розробленим у 1901 роціТомасом Едісоном.
Вальдемар Юнгнер запатентував нікель-залізну батарею в 1899 році, в тому ж році, що й патент на нікель-кадмієву батарею , але виявив, що вона поступається своєму кадмієвому аналогу, і, як наслідок, ніколи не турбувався про її розробку. Він виробляв набагато більше водню під час заряджання, тобто його не можна було запечатати, а процес заряджання був менш ефективним (проте він був дешевшим).
Бачачи спосіб отримання прибутку на вже конкурентному ринку свинцево-кислотних акумуляторів , Томас Едісон у 1890-х роках працював над розробкою лужної батареї , на яку він міг отримати патент. Едісон думав, що якщо він вироблятиме легкі та довговічні електромобілі з акумуляторами, вони стануть стандартом, а його фірма стане основним постачальником акумуляторів . Після багатьох експериментів і, ймовірно, запозичуючи дизайн Юнгнера, він запатентував лужну нікель-залізну батарею в 1901 році. Однак клієнти виявили, що його перша модель лужної нікель-залізної батареї схильна до витоку, що призвело до короткого терміну служби батареї , і вона також не надто перевершила свинцево-кислотний елемент . Незважаючи на те, що через сім років Едісон зміг виготовити більш надійну та потужну модель, на той час недорога та надійна Model T Ford зробила автомобілі з бензиновими двигунами стандартом. Тим не менш, батарея Едісона досягла великого успіху в інших застосуваннях, таких як електричні та дизель-електричні залізничні транспортні засоби, забезпечення резервного живлення для сигналів залізничних переїздів або для забезпечення живлення ламп, що використовуються в шахтах.
Звичайні лужні батареї
До кінця 1950-х років вугільно-цинкова батарея продовжувала бути популярною основною батареєю , але її відносно низький час роботи гальмував продажі. У 1955 році інженеру на ім’я Льюїс Уррі , який працював на Union Carbide у Пармській дослідницькій лабораторії National Carbon Company, було доручено знайти спосіб подовжити термін служби вуглецевих цинкових батарей, але натомість Уррі вирішив, що лужні батареї є більш перспективними. До того часу довготривалі лужні батареї були нереально дорогими. Акумулятор Urry складається з катода з діоксиду марганцю та порошкоподібного цинкового анода з лужним електролітом . Використання порошкоподібного цинку дає аноду більшу площу поверхні. Ці батареї були випущені на ринок у 1959 році.
Нікель -воднева та нікель- метал-гідридна
нікель -воднева батарея вийшла на ринок як підсистема накопичення енергії для комерційних супутників зв’язку.
Перші споживчі нікель -метал-гідридні батареї (NiMH) для невеликих застосувань з’явилися на ринку в 1989 році як варіант нікель-водневої батареї 1970-х років . Як правило, нікель-металогідридні батареї мають більший термін служби, ніж нікель-кадмієві батареї (і їхній термін служби продовжує збільшуватися, оскільки виробники експериментують із новими сплавами), а оскільки кадмій токсичний, нікель-металгідридні батареї менш шкідливі для навколишнього середовища.
Літій та літій - іонні батареї
Літій є металом з найнижчою щільністю та найбільшим електрохімічним потенціалом і співвідношенням енергії до ваги. Низька атомна вага та малий розмір його іонів також прискорюють його дифузію, припускаючи, що він стане ідеальним матеріалом для батарей.Експерименти з літієвими батареями почалися в 1912 році під керівництвом Г. Н. Льюїса , але комерційні літієві батареї не вийшли на ринок до 1970-х років. Тривольтові літієві первинні елементи, такі як тип CR123A та тривольтові кнопкові елементи , все ще широко використовуються, особливо в камерах і дуже маленьких пристроях.
У 1980-х роках відбулися три важливі події щодо літієвих батарей. У 1980 році американський хімік Джон Б. Гуденаф відкрив LiCoO 2 катод (позитивний свинець), а марокканський дослідник Рачід Язамі відкрив графітовий анод (негативний свинець) із твердим електролітом . У 1981 році японські хіміки Токіо Ямабе та Шизукуні Ята відкрили новий нано-вуглецевий PAS (поліацен). і виявив, що це дуже ефективно для анода в звичайному рідкому електроліті . Це спонукало дослідницьку групу під керівництвом Акіри Йошіно з Asahi Chemical, Японія, створити перший прототип літій - іонної батареї в 1985 році, перезаряджувану та більш стабільну версію літієвої батареї ; У 1991 році компанія Sony випустила літій - іонний акумулятор .
У 1997 році Sony і Asahi Kasei випустили літій-полімерний акумулятор . Ці батареї містять електроліт у твердому полімерному композиті, а не в рідкому розчиннику, а електроди та сепаратори ламіновані один до одного. Остання відмінність дозволяє поміщати батарею в гнучку упаковку, а не в жорсткий металевий корпус, що означає, що такі батареї можуть мати спеціальну форму відповідно до конкретного пристрою. Ця перевага надає перевагу літій- полімерним батареям у дизайні портативних електронних пристроїв, таких як мобільні телефони та персональні цифрові помічники, а також радіокерованих літальних апаратів, оскільки такі батареї забезпечують більш гнучкий і компактний дизайн. Зазвичай вони мають нижчу щільність енергії , ніж звичайні літій - іонні батареї.
У 2019 році Джон Б. Гуденаф , М. Стенлі Віттінгем і Акіра Йошіно отримали Нобелівську премію з хімії 2019 року за розробку літій - іонних акумуляторів.
Зв’яжіться з нами у, щоб отримувати останні оновлення про наші продукти та події.
Як зв'язатися з нами?
- за телефоном (098) 676 03 29
- (098) 676 03 29 viber, telegram
- пишіть на e-mail diler.com.ua@gmail.com
Ми на зв'язку щодня з 9.00 до 18.00 неділя вихідний
Бажання та вибір клієнта завжди для нас у пріоритеті.
Замовляйте та насолоджуйтесь своїм вибором.
Щиро ваш інтернет-магазин трендових товарів Diler
Написати коментар