Kdy byla vynalezena baterie?

Kdy byla vynalezena baterie?

Univerzita baterie

Jedním z nejpozoruhodnějších a nejnovějších objevů za posledních 400 let byla elektřina. Mohli bychom se zeptat: "Byla tu elektřina tak dlouho?" Odpověď je ano a možná mnohem delší, ale jeho praktické využití máme k dispozici pouze od poloviny do konce 19. století a zpočátku jen omezeně. Jednou z prvních veřejných prací, které si získaly pozornost, bylo osvícení chicagské světové výstavy Columbia v roce 1893 250 000 žárovkami a osvětlení mostu přes řeku Seinu během světové výstavy v Paříži v roce 1900.
Spotřeba elektřiny může sahat ještě dále. Při stavbě železnice v roce 1936 poblíž Bagdádu odhalili dělníci něco, co vypadalo jako prehistorická baterie, známá také jako Parthská baterie. Objekt pochází z parthského období a předpokládá se, že je starý 2000 let. Baterie se skládala z hliněné nádoby, která byla naplněna octovým roztokem, do kterého byla vložena železná tyč obklopená měděným válcem. Toto zařízení vyrábělo 1,1 až 2,0 voltů elektřiny. Obrázek 1 znázorňuje Parthskou baterii.

Obrázek 1: Parthská baterie. Hliněná nádoba prehistorické baterie drží železnou tyč obklopenou měděným válcem. Když se nádoba naplní octem nebo elektrolytickým roztokem, produkuje 1,1 až 2 volty.
Ne všichni vědci přijímají Parthskou baterii jako zdroj energie. Je možné, že zařízení bylo použito pro galvanické pokovování, jako je přidání vrstvy zlata nebo jiných drahých kovů na povrch. Říká se, že Egypťané před více než 4 300 lety galvanizovali antimon na měď. Archeologické důkazy naznačují, že Babyloňané byli první, kdo objevil a použil galvanickou techniku při výrobě šperků pomocí elektrolytu založeného na hroznové šťávě na zlaté plátové kameniny. Parthové, kteří vládli Bagdádu (asi 250 př. n. l.), možná používali baterie k galvanizaci stříbra.
Jednou z prvních metod výroby elektřiny v moderní době bylo vytvoření statického náboje. V roce 1660 Otto von Guericke zkonstruoval elektrický stroj využívající velkou kouli síry, která při tření a otáčení přitahovala peří a malé kousky papíru. Guericke byl schopen dokázat, že generované jiskry byly elektrické povahy.
Prvním praktickým využitím statické elektřiny byla „elektrická pistole“, kterou vynalezl Alessandro Volta (1745–1827). Napadlo ho poskytovat komunikaci na dlouhé vzdálenosti, i když jen jeden booleovský bit. Železný drát podepřený dřevěnými tyčemi měl být navlečen z Como do italského Milána. Na přijímacím konci by drát skončil v nádobě naplněné plynným metanem. Pro signalizaci kódované události by byla elektrická jiskra vyslána drátem za účelem odpálení elektrické pistole. Toto komunikační spojení nebylo nikdy vybudováno. Obrázek 1-2 ukazuje vykreslení Alessandra Volty tužkou.

Obrázek 2: Alessandro Volta, vynálezce elektrické baterie
Voltův objev rozkladu vody elektrickým proudem položil základ elektrochemie.
S laskavým svolením společnosti Cadex

V roce 1791 při práci na univerzitě v Bologni Luigi Galvani zjistil, že sval žáby se při dotyku kovovým předmětem stáhne. Tento jev se stal známým jako živočišná elektřina. Podněcován těmito experimenty, Volta zahájil sérii experimentů s použitím zinku, olova, cínu a železa jako pozitivních desek (katody); a měď, stříbro, zlato a grafit jako negativní desky (anoda). Zájem o galvanickou elektřinu se brzy rozšířil.
Rané baterie
Volta v roce 1800 objevil, že určité tekutiny by při použití jako vodiče generovaly nepřetržitý tok elektrické energie. Tento objev vedl k vynálezu prvního voltaického článku, běžněji známého jako baterie. Volta dále zjistil, že napětí se zvýší, když budou voltaické články naskládány na sebe. Obrázek 3 znázorňuje takové sériové připojení.

Obrázek 1-3: Čtyři varianty
elektrické baterie Volta
Kovy v baterii mají různé elektrické účinky. Volta si všiml, že napěťový potenciál s nepodobnými látkami sílil, čím dál od sebe byly.
První číslo v níže uvedených kovech je afinita k přitahování elektronů; druhý je standardní potenciál z prvního oxidačního stavu.
Zinek = 1,6 / -0,76 V
Olovo = 1,9 / -0,13 V
Cín = 1,8 / -1,07 V
Železo = 1,8 / -0,04 V
Měď = 1,9 / 0,159 V
Stříbro = 1,9 / 1,98 V
Zlato = 2,4 / 1,83 V
Uhlík = 2,5 / 0,13 V
Kovy určují napětí baterie; byly odděleny vlhkým papírem namočeným ve slané vodě.
S laskavým svolením společnosti Cadex
Ve stejném roce Volta zveřejnil svůj objev nepřetržitého zdroje elektřiny Královské společnosti v Londýně. Experimenty se již neomezovaly na krátké zobrazení jisker, které trvaly zlomek sekundy. Nekonečný proud elektrického proudu se nyní zdál možný.
Francie byla jedním z prvních národů, které oficiálně uznaly Voltovy objevy. Bylo to v době, kdy se Francie blížila k vrcholu vědeckého pokroku a nové myšlenky byly vítány s otevřenou náručí, což pomáhalo podporovat politický program země. Volta na pozvání oslovil Francouzský institut v sérii přednášek, kterých byl jako člen institutu přítomen Napoleon Bonaparte (viz obrázek 4).

Obrázek 4: Voltovy experimenty ve Francouzském institutu
Voltovy objevy tak zapůsobily na svět, že ho v listopadu 1800 pozval Francouzský národní institut na přednášky na akcích, kterých se účastnil Napoleon Bonaparte. Napoleon pomáhal s pokusy, vytahoval jiskry z baterie, tavil ocelový drát, vybíjel elektrickou pistoli a rozkládal vodu na její prvky.
S laskavým svolením společnosti Cadex
V roce 1800 Sir Humphry Davy, vynálezce havířské bezpečnostní lampy, začal testovat chemické účinky elektřiny a zjistil, že při průchodu elektrického proudu látkami dochází k rozkladu. Tento proces byl později nazýván elektrolýza. Učinil nové objevy instalací největší a nejvýkonnější elektrické baterie na světě do trezorů Královské instituce v Londýně. Připojením baterie k elektrodám na dřevěném uhlí vzniklo první elektrické světlo. Svědci uvedli, že jeho voltaická oblouková lampa vytvořila „nejzářivější stoupající oblouk světla, jaký byl kdy viděn“.
V roce 1802 navrhl William Cruickshank první elektrickou baterii pro sériovou výrobu. Cruickshank uspořádal čtvercové měděné plechy se stejně velkými plechy ze zinku. Tyto listy byly umístěny do dlouhé obdélníkové dřevěné krabice a připájeny k sobě. Drážky v krabici držely kovové desky na místě a utěsněná krabice byla poté naplněna elektrolytem solanky nebo zředěnou kyselinou. To připomínalo zatopenou baterii, která je s námi dodnes. Obrázek 5 znázorňuje bateriovou dílnu Cruickshank.

Obrázek 5: Cruickshank a první zatopená baterie. William Cruickshank, anglický chemik, postavil baterii elektrických článků spojením zinkových a měděných desek v dřevěné krabici naplněné roztokem elektrolytu. Tento zaplavený design měl výhodu v tom, že používáním nevysychal a poskytoval více energie než diskové uspořádání Volty.
S laskavým svolením společnosti Cadex
Vynález dobíjecí baterie
V roce 1836 John F. Daniell, anglický chemik, vyvinul vylepšenou baterii, která produkovala stabilnější proud než dřívější zařízení. Do této doby byly všechny baterie primární, to znamená, že je nebylo možné dobíjet. V roce 1859 vynalezl francouzský fyzik Gaston Planté první dobíjecí baterii. Byl založen na kyselině olovnaté, což je systém, který se používá dodnes.
V roce 1899 vynalezl Waldemar Jungner ze Švédska nikl-kadmiovou baterii (NiCd), která používala nikl pro kladnou elektrodu (katodu) a kadmium pro zápornou elektrodu (anodu). Vysoké materiálové náklady ve srovnání s olověnou kyselinou omezily její použití a o dva roky později vytvořil Thomas Edison alternativní konstrukci nahrazením kadmia železem. Nízká specifická energie, špatný výkon při nízké teplotě a vysoké samovybíjení omezovaly úspěch nikl-železné baterie. Teprve v roce 1932 Schlecht a Ackermann dosáhli vyšších zatěžovacích proudů a zlepšili životnost NiCd vynálezem slinuté pólové desky. V roce 1947 se Georgu Neumannovi podařilo celu zapečetit.
Po mnoho let byl NiCd jedinou dobíjecí baterií pro přenosné aplikace. V 90. letech 20. století se ekologové v Evropě začali obávat kontaminace životního prostředí, pokud byl NiCd nedbale likvidován; začali tuto chemii omezovat a požádali spotřebitelský průmysl, aby přešel na nikl-metal-hydrid (NiMH), baterii šetrnější k životnímu prostředí. NiMH je podobný NiCd a mnozí předpovídají, že NiMH bude odrazovým můstkem k odolnějšímu lithium-iontovému (Li-ion).
Většina výzkumných aktivit se dnes točí kolem zlepšování systémů na bázi lithia. Kromě napájení mobilních telefonů, notebooků, digitálních fotoaparátů, elektrického nářadí a lékařských přístrojů se Li-ion používá také pro elektrická vozidla. Baterie má řadu výhod, zejména vysokou specifickou energii, jednoduché nabíjení, nenáročnou údržbu a šetrnost k životnímu prostředí.
Elektřina prostřednictvím magnetismu
Objev, jak vyrábět elektřinu pomocí magnetismu, přišel poměrně pozdě. V roce 1820 si André-Marie Ampère (1775–1836) všiml, že dráty nesoucí elektrický proud se k sobě občas přitahují a jindy odpuzují. V roce 1831 Michael Faraday (1791–1867) předvedl, jak měděný kotouč poskytuje konstantní tok elektřiny, zatímco se otáčí v silném magnetickém poli. Faradayovi, který pomáhal Davymu a jeho výzkumnému týmu, se podařilo vytvořit nekonečnou elektrickou sílu, dokud pohyb mezi cívkou a magnetem pokračoval. To vedlo k vynálezu elektrického generátoru a obrácení procesu umožnilo elektromotor. Krátce nato byly vyvinuty transformátory, které měnily střídavý proud (AC) na libovolné požadované napětí. V roce 1833 Faraday založil základ elektrochemie, na kterém je založen Faradayův zákon. Faradayův zákon indukce se týká elektromagnetismu spojeného s transformátory, induktory a mnoha typy elektrických motorů a generátorů.
Jakmile byl pochopen vztah s magnetismem, začaly velké generátory produkovat stálý tok elektřiny. Následovaly motory, které umožňovaly mechanický pohyb, a zdálo se, že Edisonova žárovka dobývá temnotu. Poté, co George Westinghouse v roce 1893 rozsvítil chicagskou světovou kolumbijskou výstavu, postavil Westinghouse tři velké generátory k přeměně energie z Niagarských vodopádů na elektřinu. Technologie třífázového střídavého proudu vyvinutá Nikolou Teslou umožnila přenosovým linkám přenášet elektrickou energii na velké vzdálenosti. Elektřina se tak stala široce dostupnou lidstvu pro zlepšení kvality života.

Obrázek 6: 250 000 žárovek osvětluje světovou kolumbijskou výstavu v Chicagu v roce 1893.
Úspěch elektrického světla vedl k vybudování tří velkých hydrogenerátorů u Niagarských vodopádů.
S laskavým svolením archivů Brooklynského muzea. Archivní sbírka Goodyear
Vynález elektronické elektronky na počátku 20. století tvořil významný další krok směrem k vyspělé technologii, která umožnila frekvenční oscilátory, zesílení signálu a digitální přepínání. To vedlo k rozhlasovému vysílání ve 20. letech 20. století a prvnímu digitálnímu počítači, nazvanému ENIAC, v roce 1946. Objev tranzistoru v roce 1947 otevřel cestu pro příchod integrovaného obvodu o 10 let později a mikroprocesor zahájil informační věk, navždy změní způsob, jakým žijeme a pracujeme.
Lidstvo závisí na elektřině a se zvýšenou mobilitou lidé stále více tíhnou k přenosnému napájení – nejprve pro aplikace na kolečkách, poté přenositelnost a nakonec nositelné použití. Jakkoli byly rané baterie neohrabané a nespolehlivé, budoucí generace se mohou na dnešní technologie dívat jako na nic jiného než na neohrabané experimenty.