Войти
A Гальваническая батарея, первая химическая батарея Батареи предоставлены основной источник электричества до появления электрогенераторов и электрических сетей примерно в конце 19 века. Последовательные усовершенствования в технологии аккумуляторов способствовали значительным достижениям в области электротехники, от ранних научных исследований до появления телеграфов и телефонов, что в конечном итоге привело к портативным компьютерам, мобильным телефоны, электромобили и многие другие электрические устройства.
Ученые и инженеры разработали несколько коммерчески важных типов батарей. «Влажные ячейки» представляли собой открытые контейнеры, в которых находились 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 срок службы. «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. Введение батарей на основе никеля и лития во второй половине 20-го века сделало возможной разработку бесчисленных портативных электронных устройств, от мощных фонариков до мобильных телефонов. Очень большие стационарные батареи находят применение в сетевых накопителях энергии, помогая стабилизировать сети распределения электроэнергии.
Батарея из связанных стеклянных конденсаторов (лейденские банки )В 1749 г. Бенджамин Франклин, эрудит и отец-основатель из США, впервые использовал термин «батарея» для описания набора связанных конденсаторов, которые он использовал для его экспериментов с электричеством. Эти конденсаторы представляли собой панели из стекла, покрытые металлом на каждая поверхность. 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 аналогичных объектов, функционирующих вместе», как в артиллерийской батарее, этот термин стал использоваться для гальванических свай и аналогичных устройств, в которых многие электрохимические ячейки были соединены вместе, как конденсаторы Франклина. Сегодня даже одиночный электрохимический элемент, также известный как сухой элемент, обычно называют батареей.
Желобковая батарея, которая, по сути, представляла собой гальваническую батарею, заложенную для предотвращения утечки электролита На основании некоторых выводов Луиджи Гальвани, Алессандро Вольта, друг и коллега-учёный, полагал, что наблюдаемые электрические явления были вызваны двумя разными металлами, соединенными влажным посредником. Он проверил эту гипотезу экспериментально 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 дисков меди и цинка, установленных друг на друга, разделенных слоем ткани или картона, пропитанного рассолом (т. Е. электролит ). 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, чтобы вызывать искры. Он экспериментировал с различными металлами и обнаружил, что цинк и серебро дают наилучшие результаты.
Вольта полагал, 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. Это отчасти 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. Рисунок, связанный с этим участком гальванической сваи цинк-медь, имеет современный дизайн, что указывает на то, что «контактное напряжение» не является источником электродвижущей силы для гальванической батареи.
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. 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, хотя и не оказалась такой популярной.
Гальваническая батарея цинк-медь Другая проблема батарей Вольты заключалась в малом сроке службы батареи (в лучшем случае на час), что было вызвано двумя явлениями. Во-первых, возникающий ток приводит к электролизу раствора электролита, в результате чего на меди образуется пленка из пузырьков водорода, которая постоянно увеличивает внутреннее сопротивление батареи (этот эффект называется поляризации, в современных клетках противодействуют дополнительными мерами). Другой был феномен, называемый местным действием, при котором вокруг примесей в цинке образовывались мельчайшие короткие замыкания, вызывающие разложение цинка. Последняя проблема была решена в 1835 году английским изобретателем Уильямом Стердженом, который обнаружил, что амальгамированный цинк, поверхность которого была обработана некоторым ртутью, не страдает от местного воздействия <. 155>
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 английский химик Уильям Николсон.
Схематическое изображение оригинальной ячейки Даниэля Английский профессор химия по имени Джон Фредерик Дэниелл нашла способ решить проблему пузырей водорода в гальванической батарее, используя второй электролит для потребления водорода, произведенного первым. В 1836 году он изобрел ячейку Даниэля, которая состоит из медного горшка, наполненного раствором сульфата меди, в который погружен неглазурованный глиняный сосуд, наполненный серная кислота и цинковый электрод. Барьер глиняный является пористым, что позволяет ионам проходить сквозь него, но не дает растворам смешиваться.
Элемент Даниэля был большим усовершенствованием существующей технологии, использовавшейся в первые дни разработки батареи, и был первым практическим источником электричества. Он обеспечивает более длительный и надежный ток, чем гальванический элемент. Он также безопаснее и менее агрессивен. Его рабочее напряжение составляет примерно 1,1 В. Вскоре он стал отраслевым стандартом для использования, особенно с новыми телеграфными сетями.
Ячейка Даниэля также использовалась в качестве первого рабочего стандарта для определения вольт, который является единицей электродвижущей силы.
Вариант ячейки Даниэля был изобретен в 1837 году врачом больницы Гая Голдинг Берд, который использовал гипсовый барьер Париж для разделения растворов. Эксперименты Берда с этой ячейкой сыграли важную роль в новой дисциплине электрометаллургии.
Пористая горшечная ячейка Пористая горшечная версия ячейки Даниелла была изобретена Джоном Танцером, Ливерпульский производитель инструментов, в 1838 году. Он состоит из центрального цинкового анода, погруженного в пористый глиняный горшок, содержащий раствор сульфата цинка. пористый сосуд, в свою очередь, погружают в раствор сульфата меди, содержащийся в медной емкости, которая действует как катод элемента.>. Использование пористого барьера позволяет ионам проходить сквозь них, но не дает растворам перемешиваться.
Иллюстрация 1919 года гравитационной ячейки. Этот конкретный вариант также известен как ячейка «воронья лапа» из-за отличительной формы электродов . 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 стеклянного сосуда, в котором медный катод находится на дне, а цинковый анод подвешен под ободом. Кристаллы сульфата меди рассыпаются 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 специалисту измерить срок службы батареи одним взглядом. С другой стороны, такая установка означает, что аккумулятор можно использовать только в стационарном приборе, иначе растворы смешиваются или проливаются. Другой недостаток состоит в том, что необходимо постоянно пропускать ток, чтобы два раствора не смешивались за счет диффузии, поэтому он не подходит для периодического использования.
Немецкий ученый Иоганн Христиан Поггендорф преодолел проблемы с разделением электролита и деполяризатора, используя пористый глиняный горшок в 1842 году. В Поггендорфе ячейка, иногда называемая ячейкой Грене из-за работ примерно 1859 года, электролит представляет собой разбавленную серную кислоту, а 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 тенденции кислотной смеси вступать в реакцию с цинком предусмотрен механизм, позволяющий очистить цинковый электрод от кислот.
Элемент выдает 1,9 вольт. В течение многих лет он пользовался популярностью у экспериментаторов из-за 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 ячейка не используется, в конечном итоге привели к тому, что она вышла из моды. Клетка была также известна как «клетка хромовой кислоты», но в основном 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.
Ячейка Гроув была изобретена валлийцем Уильямом Робертом Гроувом в 1839 году. Она состоит из цинкового анода, погруженного в серную кислоту и платиновый катод, погруженный в азотную кислоту, отделенный пористой глиной. Ячейка Гроув обеспечивает высокий ток и почти вдвое большее напряжение, чем ячейка Даниэля, что на какое-то время сделало ее 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.
Альфред Дан 1885, нитромоляная кислота (aqua regis ) - железо и углерод
В новом элементе может быть выгодно использовано в качестве возбуждающего -жидкие 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 солянокислой азотной кислоты (aqua regis), смеси, состоящей из соляной и азотной кислот. Нитро-соляная кислота, как объяснялось 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 другой ячейке 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)
Иллюстрация XIX века оригинального свинцово-кислотного элемента Планте До в этот момент все существующие батареи будут полностью разряжены, когда все их химические реакции будут исчерпаны. В 1859 г. Гастон Планте изобрел свинцово-кислотную батарею, первую в мире батарею, которая могла заряжаться, пропуская через нее обратный ток. Свинцово-кислотный элемент состоит из свинца 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 свернутых по спирали. Его батареи были впервые использованы для питания фонарей в вагонах поездов, когда они останавливались на станции. В 1881 году Камиль Альфонс Фор изобрел 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, Планте довольно тяжелый и громоздкий для 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 одну батарею можно использовать для питания нескольких цепей.
Свинцово-кислотная батарея до сих пор используется в автомобилях и других устройствах, где вес не имеет большого значения. Основной принцип не изменился с 1859 года. В начале 1930-х годов в использовался гель-электролит (вместо жидкости), полученный путем добавления кремнезема в заряженный элемент. LT аккумулятор портативных ламповых радиоприемников. В 1970-х годах стали распространены «герметичные» версии (широко известные как «гелевый элемент » или «SLA »), позволяющие использовать батарею в различных 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.
Иллюстрация 1912 года элемента Лекланше В 1866 году Жорж Лекланше изобрел батарею с цинковым анодом. и катод из диоксида марганца , завернутый в пористый материал, погруженный в сосуд с раствором хлорида аммония. Катод из диоксида марганца также содержит небольшое количество углерода, что улучшает проводимость и поглощение. Он обеспечивал напряжение 1,4 вольта. Эта ячейка очень быстро достигла успехов в телеграфии, сигнализации и работе электрического звонка.
Форма с сухими элементами использовалась для питания первых телефонов - обычно из соседнего деревянного ящика, прикрепленного к батареям, 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. Это связано с тем, что определенные химические реакции в ячейке увеличивают внутреннее сопротивление и, следовательно, снижают напряжение. Эти реакции меняются на противоположные, когда аккумулятор простаивает, поэтому он годится только для периодического использования.
Многие экспериментаторы пытались иммобилизовать электролит в аккумуляторе. электрохимическая ячейка для удобства использования. Куча Замбони образца 1812 года представляет собой высоковольтную сухую батарею, но способную вырабатывать лишь незначительные токи. Были проведены различные эксперименты с целлюлозой, опилками, асбестовыми волокнами и желатином.
. В 1886 году Карл Гасснер получил немецкий патент 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. Катод из диоксида марганца погружен в эту пасту, и оба они герметизированы цинковой оболочкой, которая также действует как анод. В ноябре 1887 года он получил США. Патент 373064 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 серийной моделью была сухая камера Columbia, впервые поступившая на рынок National Carbon Company в 1896 году. NCC улучшила модель Гасснера, заменив гипс на спиральный картон, инновация, которая оставила больше места для катода и упростила сборку батареи. Это была первая удобная батарея для широких масс, которая сделала портативные электрические устройства практичными и привела непосредственно к изобретению фонарика.
. угольно-цинковую батарею (как стало известно) все еще производится сегодня.
Параллельно, в 1887 г. Вильгельм Хеллесен разработал собственную конструкцию сухой камеры. Утверждалось, что дизайн Хеллесена предшествовал дизайну Гасснера.
В 1887 году (屋 井 先 蔵 ) из Японии была разработана сухая батарея, которая затем была запатентована в 1892 году. Сухая батарея Яи Сакидзо была выставлена на Всемирной Колумбийской выставке и привлекла значительное международное внимание.
В 1899 году шведский ученый Вальдемар Юнгнер изобрел никель-кадмиевую батарею, перезаряжаемую батарею, которая имеет электроды никель и кадмий 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.
| Размер | Год выпуска |
|---|---|
| D | 1898 |
| AA | 1907 |
| AAA | 1911 |
| 9V | 1956 |
Никель-железные батареи, произведенные между 1972 и 1975 годами под торговой маркой Exide, первоначально разработанные в 1901 году Томасом Эдисоном. 
Набор современных батарей Вальдемар Юнгнер запатентовал никель-железную батарею в 1899 году, в том же году, что и его патент на никель-кадмиевую батарею, но обнаружил, что она уступает своему кадмиевому аналогу, и, как следствие, никогда не беспокоился о ее разработке. При зарядке он производил намного больше газообразного водорода, что означало, что его нельзя было герметично закрыть, а процесс зарядки был менее эффективным (однако он был дешевле).
Увидев способ получить прибыль на уже конкурентном рынке свинцово-кислотных аккумуляторов, Томас Эдисон работал в 1890-х годах над разработкой щелочной батареи, которую он мог получить патент на. 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 и, вероятно, позаимствовав конструкцию Юнгнера, он запатентовал щелочную никель-железную батарею в 1901 году. Однако покупатели обнаружили, что его первая модель щелочной никель-железной батареи склонна к утечкам, что приводит к короткому сроку службы батареи, и это также не намного превосходит свинцово-кислотный аккумулятор. Хотя семь лет спустя Эдисон смог создать более надежную и мощную модель, к этому времени недорогая и надежная Ford модели T 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 переезда через железные дороги или для питания ламп, используемых в шахтах.
До конца 1950-х годов угольно-цинковая батарея оставалась популярной батареей первичных элементов, но ее относительно низкий срок службы батареи ограничивал продажи. Канадский инженер Льюис Урри, работавший в Union Carbide, сначала в National Carbon Co. в Онтарио, а к 1955 году в National Carbon Company Parma Исследовательской лаборатории в Кливленде, Огайо было поручено найти способ продлить срок службы угольно-цинковых батарей. Основываясь на более ранних работах Эдисона, Урри вместо этого решил, что щелочные батареи более перспективны. До того времени щелочные батареи с более длительным сроком службы были невероятно дорогими. Батарея Урри состоит из катода из диоксида марганца и анода из порошка цинка с щелочным электролитом. Использование порошкового цинка увеличивает площадь поверхности анода. Эти батареи были выпущены на рынок в 1959 году.
Никель-водородные батареи вышли на рынок как подсистема накопления энергии. для коммерческих спутников связи.
Первые потребительские никель-металлогидридные батареи (NiMH) для небольших приложений появились на рынке в 1989 году как вариант никель-водородной батареи 1970-х годов . NiMH аккумуляторы, как правило, имеют более длительный срок службы, чем NiCd аккумуляторы (и их срок службы продолжает увеличиваться по мере того, как производители экспериментируют с новыми сплавами), и, поскольку кадмий токсичен, NiMH аккумуляторы менее вредны для окружающей среды.
Литий-ионные батареи Литий - это металл с самой низкой плотностью и наибольшим электрохимическим потенциалом и энергией. отношение веса к массе. Низкий атомный вес и небольшой размер его ионов также ускоряют его диффузию, предполагая, что он станет идеальным материалом для батарей. Эксперименты с литиевыми батареями начались в 1912 году под руководством Г.Н. Lewis, но коммерческие литиевые батареи не появлялись на рынке до 1970-х годов. Трехвольтовые литиевые первичные элементы, такие как тип 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 LiCoO 2 (положительный свинец), а марокканский ученый-исследователь Рашид Язами открыл катод. графитовый анод (отрицательный вывод) с твердым электролитом. В 1981 году японские химики открыли новый наноуглеродистый ПАС (полиацен) и обнаружили, что он очень эффективен для анода в обычном жидком электролите. Это привело к тому, что исследовательская группа под руководством Акиры Йошино из Asahi Chemical, Япония, в 1985 году создала первый прототип литий-ионной батареи , более стабильный и перезаряжаемый. вариант литиевой батареи; Sony ввела в продажу литий-ионную батарею в 1991 году.
В 1997 году литий-полимерная батарея была выпущена 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 портативных электронных устройствах, таких как мобильные телефоны и персональные цифровые помощники, а также в радиоуправляемых летательных аппаратах, поскольку такие батареи позволяют более гибко Компактный дизайн. Обычно они имеют более низкую 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 2019 за разработку литий-ионных батарей.
