Wann wurde die Batterie erfunden?

Wann wurde die Batterie erfunden?

Batterie Universität

Eine der bemerkenswertesten und neusten Entdeckungen der letzten 400 Jahre war die Elektrizität. Wir könnten fragen: „Gibt es Elektrizität schon so lange?“ Die Antwort lautet ja, und vielleicht noch viel länger, aber ihre praktische Nutzung steht uns erst seit Mitte bis Ende des 19. Jahrhunderts und zunächst nur in begrenztem Umfang zur Verfügung. Eine der frühesten öffentlichen Arbeiten, die Aufmerksamkeit erregten, war die Beleuchtung der World Columbia Exposition von 1893 in Chicago mit 250.000 Glühbirnen und die Beleuchtung einer Brücke über die Seine während der Weltausstellung 1900 in Paris.
Die Nutzung von Elektrizität kann noch weiter zurückreichen. Beim Bau einer Eisenbahn in der Nähe von Bagdad im Jahr 1936 entdeckten Arbeiter eine scheinbar prähistorische Batterie, die auch als Parther-Batterie bekannt ist. Das Objekt stammt aus der parthischen Zeit und ist vermutlich 2.000 Jahre alt. Die Batterie bestand aus einem mit einer Essiglösung gefüllten Tongefäß, in das ein von einem Kupferzylinder umgebener Eisenstab eingesetzt wurde. Dieses Gerät erzeugte 1,1 bis 2,0 Volt Strom. Abbildung 1 zeigt die parthische Batterie.

Abbildung 1: Partherbatterie. Ein Tongefäß einer prähistorischen Batterie enthält eine Eisenstange, die von einem Kupferzylinder umgeben ist. Wenn es mit Essig oder Elektrolytlösung gefüllt ist, erzeugt das Glas 1,1 bis 2 Volt.
Nicht alle Wissenschaftler akzeptieren die Partherbatterie als Energiequelle. Es ist möglich, dass das Gerät zum Galvanisieren verwendet wurde, z. B. zum Aufbringen einer Schicht aus Gold oder anderen Edelmetallen auf eine Oberfläche. Die Ägypter sollen vor über 4.300 Jahren Antimon auf Kupfer galvanisiert haben. Archäologische Beweise deuten darauf hin, dass die Babylonier die ersten waren, die eine galvanische Technik bei der Herstellung von Schmuck entdeckten und einsetzten, indem sie ein auf Traubensaft basierendes Elektrolyt zum Vergolden von Steinzeug verwendeten. Die Parther, die Bagdad regierten (ca. 250 v. Chr.), haben möglicherweise Batterien zum Galvanisieren von Silber verwendet.
Eine der frühesten Methoden zur Stromerzeugung in der Neuzeit war die Erzeugung einer statischen Aufladung. 1660 konstruierte Otto von Guericke eine elektrische Maschine mit einer großen Schwefelkugel, die beim Reiben und Drehen Federn und kleine Papierfetzen anzog. Guericke konnte nachweisen, dass die erzeugten Funken elektrischer Natur waren.
Die erste praktische Anwendung statischer Elektrizität war die „elektrische Pistole“, die Alessandro Volta (1745–1827) erfand. Er dachte daran, Fernkommunikation bereitzustellen, wenn auch nur ein boolesches Bit. Ein von Holzstangen getragener Eisendraht sollte von Como nach Mailand, Italien, gespannt werden. Am Empfängerende würde der Draht in einem mit Methangas gefüllten Gefäß enden. Um ein codiertes Ereignis zu signalisieren, würde ein elektrischer Funke per Draht gesendet werden, um die elektrische Pistole zur Detonation zu bringen. Diese Kommunikationsverbindung wurde nie aufgebaut. Abbildung 1-2 zeigt eine Bleistiftdarstellung von Alessandro Volta.

Abbildung 2: Alessandro Volta, Erfinder der elektrischen Batterie
Voltas Entdeckung der Zersetzung von Wasser durch elektrischen Strom legte den Grundstein für die Elektrochemie.
Mit freundlicher Genehmigung von Cadex

1791 entdeckte Luigi Galvani während seiner Arbeit an der Universität Bologna, dass sich der Muskel eines Frosches zusammenzieht, wenn er von einem metallischen Gegenstand berührt wird. Dieses Phänomen wurde als tierische Elektrizität bekannt. Angeregt durch diese Experimente initiierte Volta eine Reihe von Experimenten mit Zink, Blei, Zinn und Eisen als positive Platten (Kathode); und Kupfer, Silber, Gold und Graphit als negative Platten (Anode). Das Interesse an galvanischer Elektrizität breitete sich bald aus.
Frühe Batterien
Volta entdeckte im Jahr 1800, dass bestimmte Flüssigkeiten einen kontinuierlichen Stromfluss erzeugen würden, wenn sie als Leiter verwendet würden. Diese Entdeckung führte zur Erfindung der ersten voltaischen Zelle, besser bekannt als Batterie. Volta entdeckte weiter, dass die Spannung ansteigen würde, wenn Voltaic-Zellen übereinander gestapelt würden. Abbildung 3 zeigt eine solche serielle Verbindung.

Abbildung 1-3: Vier Varianten
der elektrischen Batterie von Volta
Metalle in einer Batterie haben unterschiedliche elektrische Wirkungen. Volta bemerkte, dass das Spannungspotential bei unterschiedlichen Substanzen stärker wurde, je weiter sie voneinander entfernt waren.
Die erste Zahl in den unten aufgeführten Metallen ist die Affinität, Elektronen anzuziehen; das zweite ist das Standardpotential aus der ersten Oxidationsstufe.
Zink = 1,6 / -0,76 V
Blei = 1,9 / -0,13 V
Zinn = 1,8 / -1,07 V
Eisen = 1,8 / -0,04 V
Kupfer = 1,9 / 0,159 V
Silber = 1,9 / 1,98 V
Gold = 2,4 / 1,83 V
Kohlenstoff = 2,5 / 0,13 V
Die Metalle bestimmen die Batteriespannung; Sie wurden mit feuchtem, in Salzwasser getränktem Papier getrennt.
Mit freundlicher Genehmigung von Cadex
Im selben Jahr gab Volta seine Entdeckung einer kontinuierlichen Elektrizitätsquelle an die Royal Society of London weiter. Experimente beschränkten sich nicht mehr auf eine kurze Funkenbildung, die den Bruchteil einer Sekunde dauerte. Ein endloser elektrischer Strom schien nun möglich.
Frankreich war eine der ersten Nationen, die Voltas Entdeckungen offiziell anerkannte. Dies geschah zu einer Zeit, als Frankreich sich dem Höhepunkt des wissenschaftlichen Fortschritts näherte und neue Ideen mit offenen Armen begrüßt wurden, um die politische Agenda des Landes zu unterstützen. Auf Einladung sprach Volta in einer Vortragsreihe vor dem Institute of France, bei der Napoleon Bonaparte als Mitglied des Instituts anwesend war (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Voltas Experimente am Institute of France
Voltas Entdeckungen beeindruckten die Welt so sehr, dass ihn das französische Nationalinstitut im November 1800 zu Vorträgen bei Veranstaltungen einlud, an denen Napoleon Bonaparte teilnahm. Napoleon half bei den Experimenten, zog Funken aus der Batterie, schmolz einen Stahldraht, entlud eine elektrische Pistole und zerlegte Wasser in seine Elemente.
Mit freundlicher Genehmigung von Cadex
Im Jahr 1800 begann Sir Humphry Davy, der Erfinder der Sicherheitslampe für Bergleute, die chemischen Wirkungen von Elektrizität zu testen und fand heraus, dass Zersetzung auftritt, wenn elektrischer Strom durch Substanzen geleitet wird. Dieser Vorgang wurde später als Elektrolyse bezeichnet. Er machte neue Entdeckungen, indem er die größte und leistungsstärkste elektrische Batterie der Welt in den Gewölben der Royal Institution of London installierte. Das Anschließen der Batterie an Kohleelektroden erzeugte das erste elektrische Licht. Zeugen berichteten, dass seine voltaische Bogenlampe „den brillantesten aufsteigenden Lichtbogen erzeugte, der je gesehen wurde“.
1802 entwarf William Cruickshank die erste elektrische Batterie für die Massenproduktion. Cruickshank ordnete quadratische Kupferbleche mit gleichgroßen Zinkblechen an. Diese Blätter wurden in eine lange rechteckige Holzkiste gelegt und zusammengelötet. Rillen in der Schachtel hielten die Metallplatten in Position, und die versiegelte Schachtel wurde dann mit einem Elektrolyten aus Salzlösung oder einer verdünnten Säure gefüllt. Dies ähnelte der überfluteten Batterie, die wir heute noch haben. Abbildung 5 zeigt die Batteriewerkstatt von Cruickshank.

Abbildung 5: Cruickshank und die erste geflutete Batterie. William Cruickshank, ein englischer Chemiker, baute eine Batterie aus elektrischen Zellen, indem er Zink- und Kupferplatten in einer mit einer Elektrolytlösung gefüllten Holzkiste verband. Dieses überflutete Design hatte den Vorteil, dass es bei Gebrauch nicht austrocknete, und lieferte mehr Energie als die Scheibenanordnung von Volta.
Mit freundlicher Genehmigung von Cadex
Die Erfindung der wiederaufladbaren Batterie
1836 entwickelte John F. Daniell, ein englischer Chemiker, eine verbesserte Batterie, die einen gleichmäßigeren Strom erzeugte als frühere Geräte. Bis zu diesem Zeitpunkt waren alle Batterien primär, was bedeutet, dass sie nicht wieder aufgeladen werden konnten. 1859 erfand der französische Physiker Gaston Planté die erste wiederaufladbare Batterie. Es basierte auf Bleisäure, ein System, das noch heute verwendet wird.
1899 erfand Waldemar Jungner aus Schweden die Nickel-Cadmium-Batterie (NiCd), die Nickel für die positive Elektrode (Kathode) und Cadmium für die negative (Anode) verwendete. Hohe Materialkosten im Vergleich zu Bleisäure begrenzten seine Verwendung und zwei Jahre später produzierte Thomas Edison ein alternatives Design, indem er Cadmium durch Eisen ersetzte. Niedrige spezifische Energie, schlechte Leistung bei niedriger Temperatur und hohe Selbstentladung begrenzten den Erfolg der Nickel-Eisen-Batterie. Erst 1932 erreichten Schlecht und Ackermann mit der Erfindung der gesinterten Polplatte höhere Lastströme und verbesserten die Langlebigkeit von NiCd. 1947 gelang es Georg Neumann, die Zelle abzudichten.
NiCd war viele Jahre lang die einzige wiederaufladbare Batterie für tragbare Anwendungen. In den 1990er Jahren machten sich Umweltschützer in Europa Sorgen über die Umweltverschmutzung, wenn NiCd achtlos entsorgt würde; Sie begannen, diese Chemie einzuschränken und forderten die Verbraucherindustrie auf, auf Nickel-Metallhydrid (NiMH), eine umweltfreundlichere Batterie, umzusteigen. NiMH ähnelt NiCd, und viele sagen voraus, dass NiMH das Sprungbrett zum langlebigeren Lithium-Ion (Li-Ion) sein wird.
Die meisten Forschungsaktivitäten drehen sich heute um die Verbesserung von Lithium-basierten Systemen. Neben der Stromversorgung von Mobiltelefonen, Laptops, Digitalkameras, Elektrowerkzeugen und medizinischen Geräten wird Li-Ion auch für Elektrofahrzeuge verwendet. Die Batterie hat eine Reihe von Vorteilen, insbesondere ihre hohe spezifische Energie, einfaches Laden, geringen Wartungsaufwand und Umweltfreundlichkeit.
Elektrizität durch Magnetismus
Die Entdeckung, wie man durch Magnetismus Strom erzeugt, kam relativ spät. 1820 bemerkte André-Marie Ampère (1775–1836), dass stromführende Drähte zeitweise angezogen und zeitweise voneinander abgestoßen wurden. 1831 demonstrierte Michael Faraday (1791–1867), wie eine Kupferscheibe einen konstanten Stromfluss lieferte, während sie sich in einem starken Magnetfeld drehte. Faraday, der Davy und seinem Forschungsteam half, gelang es, eine endlose elektrische Kraft zu erzeugen, solange die Bewegung zwischen einer Spule und einem Magneten andauerte. Dies führte zur Erfindung des elektrischen Generators und die Umkehrung des Prozesses ermöglichte den Elektromotor. Kurz darauf wurden Transformatoren entwickelt, die Wechselstrom (AC) in jede gewünschte Spannung umwandelten. 1833 schuf Faraday die Grundlage der Elektrochemie, auf der das Faradaysche Gesetz basiert. Das Faradaysche Induktionsgesetz bezieht sich auf Elektromagnetismus in Verbindung mit Transformatoren, Induktoren und vielen Arten von Elektromotoren und Generatoren.
Sobald die Beziehung zum Magnetismus verstanden war, begannen große Generatoren, einen stetigen Stromfluss zu erzeugen. Es folgten Motoren, die mechanische Bewegungen ermöglichten, und die Edison-Glühbirne schien die Dunkelheit zu besiegen. Nachdem George Westinghouse 1893 die World Columbian Exposition in Chicago beleuchtet hatte, baute Westinghouse drei große Generatoren, um Energie von den Niagarafällen in Elektrizität umzuwandeln. Die von Nikola Tesla entwickelte Drehstromtechnologie ermöglichte es, elektrische Energie über große Entfernungen zu transportieren. Elektrizität wurde so der Menschheit in großem Umfang zur Verfügung gestellt, um die Lebensqualität zu verbessern.

Abbildung 6: 250.000 Glühbirnen beleuchten Chicagos Weltausstellung in Kolumbien im Jahr 1893.
Der Erfolg des elektrischen Lichts führte zum Bau von drei großen Wasserkraftgeneratoren an den Niagarafällen.
Mit freundlicher Genehmigung des Brooklyn Museum Archives. Goodyear-Archivsammlung
Die Erfindung der elektronischen Vakuumröhre in den frühen 1900er Jahren stellte den bedeutenden nächsten Schritt in Richtung Hochtechnologie dar und ermöglichte Frequenzoszillatoren, Signalverstärkung und digitales Schalten. Dies führte in den 1920er Jahren zum Rundfunk und 1946 zum ersten digitalen Computer namens ENIAC. Die Entdeckung des Transistors im Jahr 1947 ebnete den Weg für die Einführung des integrierten Schaltkreises 10 Jahre später, und der Mikroprozessor leitete das Informationszeitalter ein. die Art und Weise, wie wir leben und arbeiten, für immer verändern.
Die Menschheit hängt von Elektrizität ab, und mit zunehmender Mobilität haben sich die Menschen immer mehr zu tragbarer Energie hingezogen – zuerst für Anwendungen auf Rädern, dann für die Mobilität und schließlich für den tragbaren Gebrauch. So umständlich und unzuverlässig die frühen Batterien auch gewesen sein mögen, zukünftige Generationen werden die heutigen Technologien möglicherweise nur als ungeschickte Experimente betrachten.