Quand la batterie a-t-elle été inventée ?

Quand la batterie a-t-elle été inventée ?

Université de la batterie

L'électricité est l'une des découvertes les plus remarquables et les plus novatrices des 400 dernières années. Nous pourrions nous demander : « L'électricité existe-t-elle depuis si longtemps ? » La réponse est oui, et peut-être beaucoup plus longtemps, mais son utilisation pratique n'est à notre disposition que depuis le milieu à la fin des années 1800, et de manière limitée au début. L'un des premiers travaux publics à attirer l'attention a été l'éclairage de l'Exposition universelle de 1893 à Chicago avec 250 000 ampoules et l'éclairage d'un pont sur la Seine lors de l'Exposition universelle de 1900 à Paris.
L'utilisation de l'électricité peut remonter plus loin. Lors de la construction d'un chemin de fer en 1936 près de Bagdad, des ouvriers ont découvert ce qui semblait être une batterie préhistorique, également connue sous le nom de batterie parthe. L'objet remonte à la période parthe et aurait 2 000 ans. La batterie consistait en une jarre en argile remplie d'une solution de vinaigre dans laquelle était insérée une tige de fer entourée d'un cylindre de cuivre. Cet appareil produisait de 1,1 à 2,0 volts d'électricité. La figure 1 illustre la batterie parthe.

Figure 1 : Batterie parthe. Une jarre en argile d'une batterie préhistorique contient une tige de fer entourée d'un cylindre de cuivre. Lorsqu'il est rempli de vinaigre ou de solution électrolytique, le pot produit de 1,1 à 2 volts.
Tous les scientifiques n'acceptent pas la batterie parthe comme source d'énergie. Il est possible que l'appareil ait été utilisé pour la galvanoplastie, comme l'ajout d'une couche d'or ou d'autres métaux précieux sur une surface. On dit que les Égyptiens ont plaqué de l'antimoine sur du cuivre il y a plus de 4 300 ans. Des preuves archéologiques suggèrent que les Babyloniens ont été les premiers à découvrir et à utiliser une technique galvanique dans la fabrication de bijoux en utilisant un électrolyte à base de jus de raisin sur du grès doré. Les Parthes, qui régnaient sur Bagdad (vers 250 av. J.-C.), utilisaient peut-être des piles pour galvaniser l'argent.
L'une des premières méthodes de production d'électricité à l'époque moderne consistait à créer une charge statique. En 1660, Otto von Guericke a construit une machine électrique à l'aide d'un grand globe de soufre qui, lorsqu'il était frotté et tourné, attirait des plumes et de petits morceaux de papier. Guericke a pu prouver que les étincelles générées étaient de nature électrique.
La première utilisation pratique de l'électricité statique fut le "pistolet électrique", inventé par Alessandro Volta (1745-1827). Il a pensé à fournir des communications longue distance, mais seulement un bit booléen. Un fil de fer soutenu par des poteaux en bois devait être tendu de Côme à Milan, en Italie. À l'extrémité de réception, le fil se terminerait dans un bocal rempli de gaz méthane. Pour signaler un événement codé, une étincelle électrique serait envoyée par fil dans le but de faire exploser le pistolet électrique. Ce lien de communication n'a jamais été construit. La figure 1-2 montre un rendu au crayon d'Alessandro Volta.

Figure 2 : Alessandro Volta, inventeur de la batterie électrique
La découverte par Volta de la décomposition de l'eau par un courant électrique a jeté les bases de l'électrochimie.
Avec l'aimable autorisation de Cadex

En 1791, alors qu'il travaillait à l'Université de Bologne, Luigi Galvani découvrit que le muscle d'une grenouille se contractait lorsqu'il était touché par un objet métallique. Ce phénomène est devenu connu sous le nom d'électricité animale. Poussé par ces expériences, Volta a lancé une série d'expériences utilisant du zinc, du plomb, de l'étain et du fer comme plaques positives (cathode); et du cuivre, de l'argent, de l'or et du graphite comme plaques négatives (anode). L'intérêt pour l'électricité galvanique s'est rapidement généralisé.
Premières piles
Volta a découvert en 1800 que certains fluides généreraient un flux continu d'énergie électrique lorsqu'ils étaient utilisés comme conducteur. Cette découverte a conduit à l'invention de la première pile voltaïque, plus communément appelée pile. Volta a découvert en outre que la tension augmenterait lorsque les cellules voltaïques étaient empilées les unes sur les autres. La figure 3 illustre une telle connexion série.

Figure 1-3 : Quatre variantes
de la batterie électrique de Volta
Les métaux dans une batterie ont des effets électriques différents. Volta a remarqué que le potentiel de tension avec des substances dissemblables devenait plus fort à mesure qu'elles étaient éloignées les unes des autres.
Le premier nombre dans les métaux énumérés ci-dessous est l'affinité pour attirer les électrons ; le second est le potentiel standard du premier état d'oxydation.
Zinc = 1,6 / -0,76 V
Plomb = 1,9 / -0,13 V
Étain = 1,8 / -1,07 V
Fer = 1,8 / -0,04 V
Cuivre = 1,9 / 0,159 V
Argent = 1,9 / 1,98 V
Or = 2,4 / 1,83 V
Carbone = 2,5 / 0,13 V
Les métaux déterminent la tension de la batterie ; ils ont été séparés avec du papier humide imbibé d'eau salée.
Avec l'aimable autorisation de Cadex
La même année, Volta a publié sa découverte d'une source continue d'électricité à la Royal Society de Londres. Les expériences n'étaient plus limitées à un bref affichage d'étincelles qui duraient une fraction de seconde. Un flux continu de courant électrique semblait désormais possible.
La France a été l'une des premières nations à reconnaître officiellement les découvertes de Volta. C'était à une époque où la France approchait de l'apogée des avancées scientifiques et où les nouvelles idées étaient accueillies à bras ouverts, contribuant à soutenir l'agenda politique du pays. Sur invitation, Volta s'est adressé à l'Institut de France dans une série de conférences auxquelles Napoléon Bonaparte était présent en tant que membre de l'institut (voir Figure 4).

Figure 4 : Expérimentations de Volta à l'Institut de France
Les découvertes de Volta ont tellement impressionné le monde qu'en novembre 1800, l'Institut national français l'a invité à des conférences lors d'événements auxquels Napoléon Bonaparte a participé. Napoléon a participé aux expériences, tirant des étincelles de la batterie, faisant fondre un fil d'acier, déchargeant un pistolet électrique et décomposant l'eau en ses éléments.
Avec l'aimable autorisation de Cadex
En 1800, Sir Humphry Davy, inventeur de la lampe de sécurité du mineur, a commencé à tester les effets chimiques de l'électricité et a découvert que la décomposition se produisait lors du passage d'un courant électrique à travers des substances. Ce processus a ensuite été appelé électrolyse. Il fait de nouvelles découvertes en installant la batterie électrique la plus grande et la plus puissante du monde dans les voûtes de la Royal Institution de Londres. La connexion de la batterie aux électrodes de charbon a produit la première lumière électrique. Des témoins ont rapporté que sa lampe à arc voltaïque produisait "l'arc de lumière ascendant le plus brillant jamais vu".
En 1802, William Cruickshank a conçu la première batterie électrique pour la production de masse. Cruickshank a arrangé des feuilles carrées de cuivre avec des feuilles de zinc de taille égale. Ces feuilles ont été placées dans une longue boîte en bois rectangulaire et soudées ensemble. Des rainures dans la boîte maintenaient les plaques métalliques en position, et la boîte scellée était ensuite remplie d'un électrolyte de saumure ou d'un acide dilué. Cela ressemblait à la batterie inondée qui est toujours avec nous aujourd'hui. La figure 5 illustre l'atelier de batteries de Cruickshank.

Figure 5 : Cruickshank et la première batterie inondée. William Cruickshank, un chimiste anglais, a construit une batterie de cellules électriques en joignant des plaques de zinc et de cuivre dans une boîte en bois remplie d'une solution d'électrolyte. Cette conception inondée avait l'avantage de ne pas se dessécher à l'usage et fournissait plus d'énergie que la disposition des disques de Volta.
Avec l'aimable autorisation de Cadex
L'invention de la batterie rechargeable
En 1836, John F. Daniell, un chimiste anglais, a développé une batterie améliorée qui produisait un courant plus stable que les appareils précédents. Jusqu'à cette époque, toutes les batteries étaient primaires, ce qui signifie qu'elles ne pouvaient pas être rechargées. En 1859, le physicien français Gaston Planté invente la première pile rechargeable. Il était basé sur l'acide de plomb, un système qui est encore utilisé aujourd'hui.
En 1899, Waldemar Jungner de Suède a inventé la batterie au nickel-cadmium (NiCd), qui utilisait du nickel pour l'électrode positive (cathode) et du cadmium pour le négatif (anode). Les coûts élevés des matériaux par rapport à l'acide de plomb ont limité son utilisation et deux ans plus tard, Thomas Edison a produit une conception alternative en remplaçant le cadmium par du fer. Une faible énergie spécifique, de mauvaises performances à basse température et une forte autodécharge ont limité le succès de la batterie nickel-fer. Ce n'est qu'en 1932 que Schlecht et Ackermann ont atteint des courants de charge plus élevés et amélioré la longévité du NiCd en inventant la plaque polaire frittée. En 1947, Georg Neumann réussit à sceller la cellule.
Pendant de nombreuses années, le NiCd a été la seule batterie rechargeable pour les applications portables. Dans les années 1990, les écologistes européens se sont inquiétés de la contamination de l'environnement si le NiCd était éliminé avec négligence; ils ont commencé à restreindre cette chimie et ont demandé à l'industrie grand public de passer au nickel-hydrure métallique (NiMH), une batterie plus respectueuse de l'environnement. Le NiMH est similaire au NiCd, et beaucoup prédisent que le NiMH sera le tremplin vers le lithium-ion (Li-ion) plus durable.
La plupart des activités de recherche tournent aujourd'hui autour de l'amélioration des systèmes à base de lithium. En plus d'alimenter les téléphones cellulaires, les ordinateurs portables, les appareils photo numériques, les outils électriques et les appareils médicaux, le Li-ion est également utilisé pour les véhicules électriques. La batterie présente un certain nombre d'avantages, notamment son énergie spécifique élevée, sa charge simple, sa faible maintenance et son innocuité pour l'environnement.
L'électricité par le magnétisme
La découverte de la façon de générer de l'électricité par magnétisme est venue relativement tard. En 1820, André-Marie Ampère (1775-1836) remarque que les fils transportant un courant électrique s'attirent tantôt et tantôt se repoussent les uns les autres. En 1831, Michael Faraday (1791-1867) a démontré comment un disque de cuivre fournissait un flux constant d'électricité tout en tournant dans un champ magnétique puissant. Faraday, assistant Davy et son équipe de recherche, a réussi à générer une force électrique sans fin tant que le mouvement entre une bobine et un aimant se poursuivait. Cela a conduit à l'invention du générateur électrique et l'inversion du processus a permis le moteur électrique. Peu de temps après, des transformateurs ont été développés pour convertir le courant alternatif (AC) en n'importe quelle tension souhaitée. En 1833, Faraday a établi les bases de l'électrochimie sur lesquelles repose la loi de Faraday. La loi d'induction de Faraday concerne l'électromagnétisme lié aux transformateurs, aux inducteurs et à de nombreux types de moteurs et générateurs électriques.
Une fois la relation avec le magnétisme comprise, de grands générateurs ont commencé à produire un flux constant d'électricité. Les moteurs ont suivi qui ont permis le mouvement mécanique, et l'ampoule Edison a semblé conquérir l'obscurité. Après que George Westinghouse ait illuminé l'Exposition universelle de Chicago en 1893, Westinghouse a construit trois grands générateurs pour transformer l'énergie des chutes du Niagara en électricité. La technologie AC triphasée développée par Nikola Tesla a permis aux lignes de transmission de transporter de l'énergie électrique sur de grandes distances. L'électricité a ainsi été rendue largement accessible à l'humanité pour améliorer la qualité de vie.

Figure 6 : 250 000 ampoules éclairent l'exposition universelle de Chicago en 1893.
Le succès de la lumière électrique a conduit à la construction de trois grands générateurs hydroélectriques à Niagara Falls.
Avec l'aimable autorisation des archives du musée de Brooklyn. Collection d'archives Goodyear
L'invention du tube à vide électronique au début des années 1900 a constitué la prochaine étape importante vers la haute technologie, permettant des oscillateurs de fréquence, l'amplification du signal et la commutation numérique. Cela a conduit à la radiodiffusion dans les années 1920 et au premier ordinateur numérique, appelé ENIAC, en 1946. La découverte du transistor en 1947 a ouvert la voie à l'arrivée du circuit intégré 10 ans plus tard, et le microprocesseur a inauguré l'ère de l'information, changer à jamais notre façon de vivre et de travailler.
L'humanité dépend de l'électricité, et avec une mobilité accrue, les gens se sont de plus en plus tournés vers l'alimentation portable - d'abord pour les applications sur roues, puis la portabilité et enfin l'utilisation portable. Aussi maladroites et peu fiables qu'aient pu être les premières batteries, les générations futures pourraient considérer les technologies d'aujourd'hui comme rien de plus que des expériences maladroites.