Πότε εφευρέθηκε η μπαταρία;

Πότε εφευρέθηκε η μπαταρία;

Battery University

Μια από τις πιο αξιόλογες και πρωτότυπες ανακαλύψεις τα τελευταία 400 χρόνια ήταν ο ηλεκτρισμός. Θα μπορούσαμε να ρωτήσουμε: «Η ηλεκτρική ενέργεια υπήρχε τόσο καιρό;» Η απάντηση είναι ναι, και ίσως πολύ μεγαλύτερη, αλλά η πρακτική χρήση του ήταν στη διάθεσή μας μόνο από τα μέσα έως τα τέλη του 1800, και αρχικά με περιορισμένο τρόπο. Ένα από τα πρώτα δημόσια έργα που κέρδισαν την προσοχή ήταν ο φωτισμός της Έκθεσης Παγκόσμιας Κολούμπια του Σικάγο του 1893 με 250.000 λαμπτήρες και ο φωτισμός μιας γέφυρας πάνω από τον ποταμό Σηκουάνα κατά τη διάρκεια της Παγκόσμιας Έκθεσης του 1900 στο Παρίσι.
Η χρήση ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να πάει πιο πίσω. Κατά την κατασκευή ενός σιδηροδρόμου το 1936 κοντά στη Βαγδάτη, οι εργάτες αποκάλυψαν αυτό που φαινόταν να είναι μια προϊστορική μπαταρία, γνωστή και ως Parthian Battery. Το αντικείμενο χρονολογείται από την περίοδο των Πάρθων και πιστεύεται ότι είναι 2.000 ετών. Η μπαταρία αποτελούνταν από ένα πήλινο βάζο που ήταν γεμάτο με διάλυμα ξιδιού μέσα στο οποίο εισήχθη μια σιδερένια ράβδος που περιβαλλόταν από έναν χάλκινο κύλινδρο. Αυτή η συσκευή παρήγαγε 1,1 έως 2,0 βολτ ηλεκτρικής ενέργειας. Το Σχήμα 1 απεικονίζει την Parthian Battery.

Εικόνα 1: Parthian Battery. Ένα πήλινο βάζο μιας προϊστορικής μπαταρίας κρατά μια σιδερένια ράβδο που περιβάλλεται από έναν χάλκινο κύλινδρο. Όταν γεμίσει με ξύδι ή ηλεκτρολυτικό διάλυμα, το βάζο παράγει 1,1 έως 2 βολτ.
Δεν αποδέχονται όλοι οι επιστήμονες την Parthian Battery ως πηγή ενέργειας. Είναι πιθανό ότι η συσκευή χρησιμοποιήθηκε για επιμετάλλωση, όπως για την προσθήκη ενός στρώματος χρυσού ή άλλων πολύτιμων μετάλλων σε μια επιφάνεια. Οι Αιγύπτιοι λέγεται ότι είχαν επιμεταλλωθεί αντιμόνιο στον χαλκό πριν από περισσότερα από 4.300 χρόνια. Τα αρχαιολογικά στοιχεία υποδηλώνουν ότι οι Βαβυλώνιοι ήταν οι πρώτοι που ανακάλυψαν και χρησιμοποίησαν μια γαλβανική τεχνική στην κατασκευή κοσμημάτων χρησιμοποιώντας έναν ηλεκτρολύτη με βάση το χυμό σταφυλιού σε χρυσαφί κεραμικές πλάκες. Οι Πάρθοι, που κυβέρνησαν τη Βαγδάτη (περίπου 250 π.Χ.), μπορεί να χρησιμοποιούσαν μπαταρίες για την ηλεκτρολυτική επίστρωση αργύρου.
Μία από τις πρώτες μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στη σύγχρονη εποχή ήταν η δημιουργία στατικού φορτίου. Το 1660, ο Otto von Guericke κατασκεύασε μια ηλεκτρική μηχανή χρησιμοποιώντας μια μεγάλη σφαίρα θείου που, όταν τρίβονταν και γύριζε, προσέλκυε φτερά και μικρά κομμάτια χαρτιού. Ο Guericke μπόρεσε να αποδείξει ότι οι σπινθήρες που παράγονται ήταν ηλεκτρικού χαρακτήρα.
Η πρώτη πρακτική χρήση του στατικού ηλεκτρισμού ήταν το «ηλεκτρικό πιστόλι», το οποίο εφηύρε ο Alessandro Volta (1745–1827). Σκέφτηκε να παράσχει επικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων, αν και μόνο ένα bit Boolean. Ένα σιδερένιο σύρμα που στηρίζεται σε ξύλινους στύλους επρόκειτο να κορδονιστεί από το Κόμο στο Μιλάνο της Ιταλίας. Στο άκρο υποδοχής, το σύρμα θα κατέληγε σε ένα βάζο γεμάτο με αέριο μεθάνιο. Για να σηματοδοτήσει ένα κωδικοποιημένο συμβάν, ένας ηλεκτρικός σπινθήρας θα σταλούσε με σύρμα για να πυροδοτήσει το ηλεκτρικό πιστόλι. Αυτή η σύνδεση επικοινωνίας δεν δημιουργήθηκε ποτέ. Το σχήμα 1-2 δείχνει μια απόδοση με μολύβι του Alessandro Volta.

Εικόνα 2: Alessandro Volta, εφευρέτης της ηλεκτρικής μπαταρίας
Η ανακάλυψη από τον Βόλτα για την αποσύνθεση του νερού από ηλεκτρικό ρεύμα έθεσε τα θεμέλια της ηλεκτροχημείας.
Ευγενική προσφορά της Cadex

Το 1791, ενώ εργαζόταν στο Πανεπιστήμιο της Μπολόνια, ο Λουίτζι Γκαλβάνι ανακάλυψε ότι ο μυς ενός βατράχου συσπάται όταν τον αγγίζει ένα μεταλλικό αντικείμενο. Αυτό το φαινόμενο έγινε γνωστό ως ζωικός ηλεκτρισμός. Υποκινούμενος από αυτά τα πειράματα, ο Volta ξεκίνησε μια σειρά πειραμάτων χρησιμοποιώντας ψευδάργυρο, μόλυβδο, κασσίτερο και σίδηρο ως θετικές πλάκες (κάθοδος). και χαλκός, ασήμι, χρυσός και γραφίτης ως αρνητικές πλάκες (άνοδος). Το ενδιαφέρον για τον γαλβανικό ηλεκτρισμό έγινε σύντομα ευρύ.
Πρώιμες μπαταρίες
Ο Βόλτα ανακάλυψε το 1800 ότι ορισμένα ρευστά θα παρήγαγαν μια συνεχή ροή ηλεκτρικής ενέργειας όταν χρησιμοποιούνται ως αγωγοί. Αυτή η ανακάλυψη οδήγησε στην εφεύρεση του πρώτου βολταϊκού στοιχείου, ευρύτερα γνωστό ως μπαταρία. Ο Volta ανακάλυψε περαιτέρω ότι η τάση θα αυξανόταν όταν τα βολταϊκά στοιχεία στοιβάζονταν το ένα πάνω στο άλλο. Το Σχήμα 3 απεικονίζει μια τέτοια σειριακή σύνδεση.

Εικόνα 1-3: Τέσσερις παραλλαγές
της ηλεκτρικής μπαταρίας της Volta
Τα μέταλλα σε μια μπαταρία έχουν διαφορετικά ηλεκτρικά αποτελέσματα. Ο Βόλτα παρατήρησε ότι το δυναμικό τάσης με ανόμοιες ουσίες δυνάμωνε όσο πιο μακριά ήταν το ένα από το άλλο.
Ο πρώτος αριθμός στα μέταλλα που αναφέρονται παρακάτω είναι η συγγένεια για την έλξη ηλεκτρονίων. το δεύτερο είναι το τυπικό δυναμικό από την πρώτη κατάσταση οξείδωσης.
Ψευδάργυρος = 1,6 / -0,76 V
Μόλυβδος = 1,9 / -0,13 V
Κασσίτερος = 1,8 / -1,07 V
Σίδηρος = 1,8 / -0,04 V
Χαλκός = 1,9 / 0,159 V
Ασήμι = 1,9 / 1,98 V
Χρυσός = 2,4 / 1,83 V
Άνθρακας = 2,5 / 0,13 V
Τα μέταλλα καθορίζουν την τάση της μπαταρίας. χωρίστηκαν με υγρό χαρτί εμποτισμένο σε αλμυρό νερό.
Ευγενική προσφορά της Cadex
Την ίδια χρονιά, ο Βόλτα δημοσίευσε την ανακάλυψή του για μια συνεχή πηγή ηλεκτρικής ενέργειας στη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου. Τα πειράματα δεν περιορίζονταν πλέον σε μια σύντομη εμφάνιση σπινθήρων που διαρκούσαν ένα κλάσμα του δευτερολέπτου. Μια ατελείωτη ροή ηλεκτρικού ρεύματος φαινόταν πλέον δυνατή.
Η Γαλλία ήταν ένα από τα πρώτα έθνη που αναγνώρισαν επίσημα τις ανακαλύψεις του Βόλτα. Αυτό ήταν σε μια εποχή που η Γαλλία πλησίαζε στο απόγειο των επιστημονικών προόδων και οι νέες ιδέες έγιναν δεκτές με ανοιχτές αγκάλες, βοηθώντας στην υποστήριξη της πολιτικής ατζέντας της χώρας. Με πρόσκληση, ο Βόλτα απευθύνθηκε στο Ινστιτούτο της Γαλλίας σε μια σειρά διαλέξεων στις οποίες ο Ναπολέων Βοναπάρτης ήταν παρών ως μέλος του ινστιτούτου (βλ. Εικόνα 4).

Εικόνα 4: Οι πειραματισμοί του Βόλτα στο Ινστιτούτο της Γαλλίας
Οι ανακαλύψεις του Βόλτα εντυπωσίασαν τόσο τον κόσμο που τον Νοέμβριο του 1800 το Γαλλικό Εθνικό Ινστιτούτο τον προσκάλεσε σε διαλέξεις σε εκδηλώσεις στις οποίες συμμετείχε ο Ναπολέων Βοναπάρτης. Ο Ναπολέων βοήθησε στα πειράματα, αντλώντας σπινθήρες από την μπαταρία, λιώνοντας ένα χαλύβδινο σύρμα, εκφορτίζοντας ένα ηλεκτρικό πιστόλι και αποσυνθέτοντας νερό στα στοιχεία του.
Ευγενική προσφορά της Cadex
Το 1800, ο Sir Humphry Davy, εφευρέτης της λάμπας ασφαλείας του ανθρακωρύχου, άρχισε να δοκιμάζει τις χημικές επιδράσεις του ηλεκτρισμού και ανακάλυψε ότι η αποσύνθεση συνέβαινε όταν διέρχονταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα μέσω ουσιών. Αυτή η διαδικασία ονομάστηκε αργότερα ηλεκτρόλυση. Έκανε νέες ανακαλύψεις εγκαθιστώντας τη μεγαλύτερη και ισχυρότερη ηλεκτρική μπαταρία στον κόσμο στα θησαυροφυλάκια του Βασιλικού Ινστιτούτου του Λονδίνου. Η σύνδεση της μπαταρίας με ηλεκτρόδια άνθρακα παρήγαγε το πρώτο ηλεκτρικό φως. Μάρτυρες ανέφεραν ότι ο λαμπτήρας του με βολταϊκό τόξο παρήγαγε «την πιο λαμπρή αψίδα φωτός που έχει δει ποτέ».
Το 1802, ο William Cruickshank σχεδίασε την πρώτη ηλεκτρική μπαταρία για μαζική παραγωγή. Cruickshank διατεταγμένα τετράγωνα φύλλα χαλκού με ισομεγέθη φύλλα ψευδαργύρου. Αυτά τα φύλλα τοποθετήθηκαν σε ένα μακρύ ορθογώνιο ξύλινο κουτί και συγκολλήθηκαν μεταξύ τους. Οι αυλακώσεις στο κουτί συγκρατούσαν τις μεταλλικές πλάκες στη θέση τους και το σφραγισμένο κουτί γεμίστηκε με έναν ηλεκτρολύτη άλμης ή ένα υγρό οξύ. Αυτό έμοιαζε με την πλημμυρισμένη μπαταρία που είναι ακόμα μαζί μας σήμερα. Το σχήμα 5 απεικονίζει το εργαστήριο μπαταριών του Cruickshank.

Εικόνα 5: Cruickshank και η πρώτη πλημμυρισμένη μπαταρία. Ο William Cruickshank, ένας Άγγλος χημικός, κατασκεύασε μια μπαταρία ηλεκτρικών στοιχείων ενώνοντας πλάκες ψευδαργύρου και χαλκού σε ένα ξύλινο κουτί γεμάτο με διάλυμα ηλεκτρολύτη. Αυτό το πλημμυρισμένο σχέδιο είχε το πλεονέκτημα ότι δεν στέγνωνε με τη χρήση και παρείχε περισσότερη ενέργεια από τη διάταξη των δίσκων του Volta.
Ευγενική προσφορά της Cadex
Η εφεύρεση της επαναφορτιζόμενης μπαταρίας
Το 1836, ο John F. Daniell, ένας Άγγλος χημικός, ανέπτυξε μια βελτιωμένη μπαταρία που παρήγαγε σταθερότερο ρεύμα από προηγούμενες συσκευές. Μέχρι εκείνη τη στιγμή, όλες οι μπαταρίες ήταν κύριες, που σημαίνει ότι δεν μπορούσαν να επαναφορτιστούν. Το 1859, ο Γάλλος φυσικός Gaston Planté εφηύρε την πρώτη επαναφορτιζόμενη μπαταρία. Βασίστηκε στο μόλυβδο οξύ, ένα σύστημα που χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα.
Το 1899, ο Waldemar Jungner από τη Σουηδία εφηύρε την μπαταρία νικελίου-καδμίου (NiCd), η οποία χρησιμοποιούσε νικέλιο για το θετικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος) και κάδμιο για το αρνητικό (άνοδος). Το υψηλό κόστος υλικού σε σύγκριση με το μόλυβδο οξύ περιόρισε τη χρήση του και δύο χρόνια αργότερα, ο Thomas Edison παρήγαγε ένα εναλλακτικό σχέδιο αντικαθιστώντας το κάδμιο με σίδηρο. Η χαμηλή ειδική ενέργεια, η κακή απόδοση σε χαμηλή θερμοκρασία και η υψηλή αυτοεκφόρτιση περιόρισαν την επιτυχία της μπαταρίας νικελίου-σιδηρού. Μόλις το 1932 οι Schlecht και Ackermann πέτυχαν υψηλότερα ρεύματα φορτίου και βελτίωσαν τη μακροζωία του NiCd εφευρίσκοντας την πλάκα πυροσυσσωματωμένης πόλων. Το 1947, ο Georg Neumann κατάφερε να σφραγίσει το κελί.
Για πολλά χρόνια, το NiCd ήταν η μόνη επαναφορτιζόμενη μπαταρία για φορητές εφαρμογές. Στη δεκαετία του 1990, οι περιβαλλοντολόγοι στην Ευρώπη ανησυχούσαν για τη μόλυνση του περιβάλλοντος εάν το NiCd απορριφόταν απρόσεκτα. άρχισαν να περιορίζουν αυτή τη χημεία και ζήτησαν από την καταναλωτική βιομηχανία να στραφεί σε Nickel-metal-hydride (NiMH), μια πιο φιλική προς το περιβάλλον μπαταρία. Το NiMH είναι παρόμοιο με το NiCd και πολλοί προβλέπουν ότι το NiMH θα είναι το σκαλοπάτι για το πιο ανθεκτικό ιόν λιθίου (ιόν λιθίου).
Οι περισσότερες ερευνητικές δραστηριότητες σήμερα περιστρέφονται γύρω από τη βελτίωση συστημάτων που βασίζονται στο λίθιο. Εκτός από την τροφοδοσία κινητών τηλεφώνων, φορητών υπολογιστών, ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών, ηλεκτρικών εργαλείων και ιατρικών συσκευών, το Li-ion χρησιμοποιείται επίσης για ηλεκτρικά οχήματα. Η μπαταρία έχει μια σειρά από πλεονεκτήματα, με πιο αξιοσημείωτα την υψηλή ειδική ενέργειά της, την απλή φόρτιση, τη χαμηλή συντήρηση και το ότι είναι φιλική προς το περιβάλλον.
Ηλεκτρισμός μέσω Μαγνητισμού
Η ανακάλυψη του τρόπου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μέσω του μαγνητισμού ήρθε σχετικά αργά. Το 1820, ο André-Marie Ampère (1775-1836) παρατήρησε ότι τα καλώδια που μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα κατά καιρούς έλκονταν και άλλοτε απωθούνταν το ένα από το άλλο. Το 1831, ο Michael Faraday (1791–1867) έδειξε πώς ένας χάλκινος δίσκος παρείχε μια σταθερή ροή ηλεκτρισμού ενώ περιστρεφόταν σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Ο Faraday, βοηθώντας τον Davy και την ερευνητική του ομάδα, κατάφερε να δημιουργήσει μια ατελείωτη ηλεκτρική δύναμη όσο συνεχιζόταν η κίνηση μεταξύ ενός πηνίου και του μαγνήτη. Αυτό οδήγησε στην εφεύρεση της ηλεκτρικής γεννήτριας και η αντιστροφή της διαδικασίας επέτρεψε τον ηλεκτροκινητήρα. Λίγο αργότερα, αναπτύχθηκαν μετασχηματιστές που μετέτρεψαν το εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) σε οποιαδήποτε επιθυμητή τάση. Το 1833, ο Faraday καθιέρωσε τα θεμέλια της ηλεκτροχημείας στα οποία βασίζεται ο νόμος του Faraday. Ο νόμος της επαγωγής του Faraday σχετίζεται με τον ηλεκτρομαγνητισμό που συνδέεται με μετασχηματιστές, επαγωγείς και πολλούς τύπους ηλεκτρικών κινητήρων και γεννητριών.
Μόλις έγινε κατανοητή η σχέση με τον μαγνητισμό, οι μεγάλες γεννήτριες άρχισαν να παράγουν μια σταθερή ροή ηλεκτρισμού. Οι κινητήρες ακολούθησαν αυτή τη μηχανική κίνηση και ο λαμπτήρας Edison φάνηκε να κατακτά το σκοτάδι. Αφού ο George Westinghouse φώτισε την World Columbian Exposition του Σικάγο το 1893, η Westinghouse κατασκεύασε τρεις μεγάλες γεννήτριες για να μετατρέψει την ενέργεια από τους καταρράκτες του Νιαγάρα σε ηλεκτρική. Η τριφασική τεχνολογία AC που αναπτύχθηκε από τον Νίκολα Τέσλα επέτρεψε στις γραμμές μεταφοράς να μεταφέρουν ηλεκτρική ενέργεια σε μεγάλες αποστάσεις. Η ηλεκτρική ενέργεια έγινε έτσι ευρέως διαθέσιμη στην ανθρωπότητα για τη βελτίωση της ποιότητας ζωής.

Εικόνα 6: 250.000 λαμπτήρες φωτίζουν την Παγκόσμια Κολομβιανή Έκθεση του Σικάγο το 1893.
Η επιτυχία του ηλεκτρικού φωτός οδήγησε στην κατασκευή τριών μεγάλων υδρογεννητριών στους καταρράκτες του Νιαγάρα.
Ευγενική προσφορά των Αρχείων του Μουσείου του Μπρούκλιν. Αρχειακή Συλλογή Goodyear
Η εφεύρεση του ηλεκτρονικού σωλήνα κενού στις αρχές του 1900 αποτέλεσε το σημαντικό επόμενο βήμα προς την υψηλή τεχνολογία, επιτρέποντας τους ταλαντωτές συχνότητας, την ενίσχυση του σήματος και την ψηφιακή μεταγωγή. Αυτό οδήγησε στη ραδιοφωνική μετάδοση στη δεκαετία του 1920 και τον πρώτο ψηφιακό υπολογιστή, που ονομάζεται ENIAC, το 1946. Η ανακάλυψη του τρανζίστορ το 1947 άνοιξε το δρόμο για την άφιξη του ολοκληρωμένου κυκλώματος 10 χρόνια αργότερα, και ο μικροεπεξεργαστής εγκαινίασε την Εποχή της Πληροφορίας, αλλάζοντας για πάντα τον τρόπο που ζούμε και εργαζόμαστε.
Η ανθρωπότητα εξαρτάται από την ηλεκτρική ενέργεια και με την αυξημένη κινητικότητα, οι άνθρωποι έλκονται όλο και περισσότερο προς τη φορητή ισχύ — πρώτα για εφαρμογές με τροχούς, στη συνέχεια φορητότητα και, τέλος, χρήση φορητών συσκευών. Όσο δύσκολες και αναξιόπιστες και αν ήταν οι πρώιμες μπαταρίες, οι μελλοντικές γενιές μπορεί να βλέπουν τις σημερινές τεχνολογίες σαν αδέξια πειράματα.