Wanneer is de batterij uitgevonden?

Wanneer is de batterij uitgevonden?

Batterij Universiteit

Een van de meest opmerkelijke en nieuwe ontdekkingen in de afgelopen 400 jaar was elektriciteit. We zouden kunnen vragen: "Bestaat elektriciteit al zo lang?" Het antwoord is ja, en misschien nog veel langer, maar het praktische gebruik ervan staat pas sinds het midden van de late jaren 1800 tot onze beschikking, en aanvankelijk in beperkte mate. Een van de eerste openbare werken die aandacht trok, was het verlichten van de Chicago's World Columbia Exposition in 1893 met 250.000 gloeilampen en het verlichten van een brug over de rivier de Seine tijdens de Wereldtentoonstelling van 1900 in Parijs.
Het gebruik van elektriciteit gaat mogelijk nog verder terug. Tijdens de aanleg van een spoorlijn in 1936 in de buurt van Bagdad, ontdekten arbeiders wat leek op een prehistorische batterij, ook bekend als de Parthische batterij. Het object dateert uit de Parthische periode en wordt verondersteld 2000 jaar oud te zijn. De batterij bestond uit een aarden pot die was gevuld met een azijnoplossing waarin een ijzeren staaf werd gestoken, omringd door een koperen cilinder. Dit apparaat produceerde 1,1 tot 2,0 volt elektriciteit. Figuur 1 illustreert de Parthische batterij.

Figuur 1: Parthische batterij. Een aarden pot van een prehistorische batterij bevat een ijzeren staaf omgeven door een koperen cilinder. Wanneer gevuld met azijn of elektrolytische oplossing, produceert de pot 1,1 tot 2 volt.
Niet alle wetenschappers accepteren de Parthische batterij als energiebron. Mogelijk is het apparaat gebruikt voor galvanisatie, zoals het aanbrengen van een laagje goud of andere edelmetalen op een oppervlak. De Egyptenaren zouden meer dan 4.300 jaar geleden antimoon op koper hebben gegalvaniseerd. Archeologisch bewijs suggereert dat de Babyloniërs de eersten waren die een galvanische techniek ontdekten en gebruikten bij de vervaardiging van sieraden door een elektrolyt op basis van druivensap te gebruiken om steengoed te vergulden. De Parthen, die over Bagdad regeerden (ca. 250 voor Christus), hebben mogelijk batterijen gebruikt om zilver te galvaniseren.
Een van de vroegste methoden om in de moderne tijd elektriciteit op te wekken, was door een statische lading te creëren. In 1660 bouwde Otto von Guericke een elektrische machine met behulp van een grote zwavelbol die, wanneer hij werd gewreven en gedraaid, veren en kleine stukjes papier aantrok. Guericke kon bewijzen dat de gegenereerde vonken elektrisch van aard waren.
Het eerste praktische gebruik van statische elektriciteit was het "elektrische pistool", dat Alessandro Volta (1745-1827) uitvond. Hij dacht erover om langeafstandscommunicatie aan te bieden, zij het slechts één Booleaans bit. Een ijzerdraad ondersteund door houten palen zou van Como naar Milaan, Italië, worden geregen. Aan het ontvangende uiteinde zou de draad eindigen in een pot gevuld met methaangas. Om een gecodeerde gebeurtenis aan te geven, zou een elektrische vonk per draad worden verzonden om het elektrische pistool tot ontploffing te brengen. Deze communicatieverbinding is nooit gebouwd. Figuur 1-2 toont een potloodweergave van Alessandro Volta.

Figuur 2: Alessandro Volta, uitvinder van de elektrische batterij
Volta's ontdekking van de ontbinding van water door een elektrische stroom legde de basis van de elektrochemie.
Met dank aan Cadex

In 1791 ontdekte Luigi Galvani, toen hij aan de universiteit van Bologna werkte, dat de spier van een kikker zou samentrekken als hij werd aangeraakt door een metalen voorwerp. Dit fenomeen werd bekend als dierlijke elektriciteit. Naar aanleiding van deze experimenten startte Volta een reeks experimenten met zink, lood, tin en ijzer als positieve platen (kathode); en koper, zilver, goud en grafiet als negatieve platen (anode). De belangstelling voor galvanische elektriciteit werd al snel wijdverbreid.
Vroege batterijen
Volta ontdekte in 1800 dat bepaalde vloeistoffen een continue stroom van elektrische stroom zouden genereren wanneer ze als geleider werden gebruikt. Deze ontdekking leidde tot de uitvinding van de eerste voltaïsche cel, beter bekend als de batterij. Volta ontdekte verder dat de spanning zou toenemen als voltaïsche cellen op elkaar werden gestapeld. Figuur 3 illustreert een dergelijke seriële verbinding.

Afbeelding 1-3: Vier varianten
van Volta's elektrische batterij
Metalen in een batterij hebben verschillende elektrische effecten. Volta merkte op dat het spanningspotentieel bij ongelijksoortige stoffen sterker werd naarmate ze verder van elkaar verwijderd waren.
Het eerste getal in de onderstaande metalen is de affiniteit om elektronen aan te trekken; de tweede is de standaardpotentiaal van de eerste oxidatietoestand.
Zink = 1,6 / -0,76 V
Lood = 1,9 / -0,13 V
Tin = 1,8 / -1,07 V
IJzer = 1,8 / -0,04 V
Koper = 1,9 / 0,159 V
Zilver = 1,9 / 1,98 V
Goud = 2,4 / 1,83 V
Koolstof = 2,5 / 0,13 V
De metalen bepalen de accuspanning; ze werden gescheiden met vochtig papier gedrenkt in zout water.
Met dank aan Cadex
In hetzelfde jaar bracht Volta zijn ontdekking van een continue bron van elektriciteit naar de Royal Society of London. Experimenten waren niet langer beperkt tot een korte weergave van vonken die een fractie van een seconde duurden. Een eindeloze stroom elektrische stroom leek nu mogelijk.
Frankrijk was een van de eerste landen die de ontdekkingen van Volta officieel erkende. Dit was in een tijd waarin Frankrijk het hoogtepunt van wetenschappelijke vooruitgang naderde en nieuwe ideeën met open armen werden ontvangen, wat hielp om de politieke agenda van het land te ondersteunen. Op uitnodiging sprak Volta het Instituut van Frankrijk toe in een reeks lezingen waarbij Napoleon Bonaparte als lid van het instituut aanwezig was (zie figuur 4).

Figuur 4: Volta's experimenten aan het Instituut van Frankrijk
Volta's ontdekkingen maakten zo'n indruk op de wereld dat het Franse Nationale Instituut hem in november 1800 uitnodigde voor lezingen op evenementen waaraan Napoleon Bonaparte deelnam. Napoleon hielp met de experimenten door vonken uit de batterij te halen, een staaldraad te smelten, een elektrisch pistool te ontladen en water in zijn elementen te ontbinden.
Met dank aan Cadex
In 1800 begon Sir Humphry Davy, uitvinder van de veiligheidslamp voor mijnwerkers, de chemische effecten van elektriciteit te testen en ontdekte dat ontleding plaatsvond wanneer elektrische stroom door stoffen werd geleid. Dit proces werd later elektrolyse genoemd. Hij deed nieuwe ontdekkingen door 's werelds grootste en krachtigste elektrische batterij te installeren in de kluizen van de Royal Institution of London. Door de batterij aan te sluiten op houtskoolelektroden, ontstond het eerste elektrische licht. Getuigen meldden dat zijn voltaïsche booglamp „de meest briljante opstijgende lichtboog ooit heeft gezien”.
In 1802 ontwierp William Cruickshank de eerste elektrische batterij voor massaproductie. Cruickshank rangschikte vierkante platen van koper met platen van gelijke grootte van zink. Deze platen werden in een lange rechthoekige houten kist geplaatst en aan elkaar gesoldeerd. Groeven in de doos hielden de metalen platen op hun plaats en de verzegelde doos werd vervolgens gevuld met een elektrolyt van pekel of een verwaterd zuur. Dit leek op de ondergelopen batterij die nog steeds bij ons is. Figuur 5 illustreert de batterijwerkplaats van Cruickshank.

Figuur 5: Cruickshank en de eerste ondergelopen batterij. William Cruickshank, een Engelse chemicus, bouwde een batterij van elektrische cellen door zink- en koperplaten samen te voegen in een houten kist gevuld met een elektrolytoplossing. Dit overstroomde ontwerp had het voordeel dat het niet uitdroogde bij gebruik en meer energie opleverde dan Volta's schijfopstelling.
Met dank aan Cadex
De uitvinding van de oplaadbare batterij
In 1836 ontwikkelde John F. Daniell, een Engelse chemicus, een verbeterde batterij die een stabielere stroom produceerde dan eerdere apparaten. Tot die tijd waren alle batterijen primair, wat betekent dat ze niet konden worden opgeladen. In 1859 vond de Franse natuurkundige Gaston Planté de eerste oplaadbare batterij uit. Het was gebaseerd op loodzuur, een systeem dat nog steeds wordt gebruikt.
In 1899 vond Waldemar Jungner uit Zweden de nikkel-cadmiumbatterij (NiCd) uit, die nikkel gebruikte voor de positieve elektrode (kathode) en cadmium voor de negatieve (anode). Hoge materiaalkosten vergeleken met loodzuur beperkten het gebruik ervan en twee jaar later produceerde Thomas Edison een alternatief ontwerp door cadmium te vervangen door ijzer. Lage specifieke energie, slechte prestaties bij lage temperatuur en hoge zelfontlading beperkten het succes van de nikkel-ijzerbatterij. Pas in 1932 bereikten Schlecht en Ackermann hogere belastingsstromen en verbeterden ze de levensduur van NiCd door de gesinterde poolplaat uit te vinden. In 1947 slaagde Georg Neumann erin de cel te verzegelen.
NiCd was jarenlang de enige oplaadbare batterij voor draagbare toepassingen. In de jaren negentig begonnen milieuactivisten in Europa zich zorgen te maken over milieuverontreiniging als NiCd achteloos zou worden verwijderd; ze begonnen deze chemie te beperken en vroegen de consumentenindustrie om over te schakelen op nikkel-metaalhydride (NiMH), een milieuvriendelijkere batterij. NiMH is vergelijkbaar met NiCd, en velen voorspellen dat NiMH de opstap zal zijn naar het duurzamere lithium-ion (Li-ion).
De meeste onderzoeksactiviteiten draaien tegenwoordig om het verbeteren van op lithium gebaseerde systemen. Naast het voeden van mobiele telefoons, laptops, digitale camera's, elektrisch gereedschap en medische apparaten, wordt Li-ion ook gebruikt voor elektrische voertuigen. De batterij heeft een aantal voordelen, met name zijn hoge specifieke energie, eenvoudig opladen, weinig onderhoud en milieuvriendelijk.
Elektriciteit door magnetisme
De ontdekking van het opwekken van elektriciteit door middel van magnetisme kwam relatief laat. In 1820 merkte André-Marie Ampère (1775-1836) op dat draden die een elektrische stroom voeren soms naar elkaar toe werden aangetrokken en dan weer van elkaar werden afgestoten. In 1831 demonstreerde Michael Faraday (1791-1867) hoe een koperen schijf voor een constante stroom van elektriciteit zorgde terwijl hij ronddraaide in een sterk magnetisch veld. Faraday, die Davy en zijn onderzoeksteam assisteerde, slaagde erin een eindeloze elektrische kracht op te wekken zolang de beweging tussen een spoel en een magneet voortduurde. Dit leidde tot de uitvinding van de elektrische generator en het omkeren van het proces maakte de elektromotor mogelijk. Kort daarna werden transformatoren ontwikkeld die wisselstroom (AC) omzet in elke gewenste spanning. In 1833 legde Faraday de basis voor de elektrochemie waarop de wet van Faraday is gebaseerd. De inductiewet van Faraday heeft betrekking op elektromagnetisme dat is gekoppeld aan transformatoren, inductoren en vele soorten elektrische motoren en generatoren.
Toen de relatie met magnetisme eenmaal begrepen was, begonnen grote generatoren een gestage stroom van elektriciteit te produceren. Motoren volgden die mechanische beweging mogelijk maakten, en de Edison-gloeilamp leek de duisternis te overwinnen. Nadat George Westinghouse in 1893 Chicago's World Columbian Exposition verlichtte, bouwde Westinghouse drie grote generatoren om energie van Niagara Falls om te zetten in elektriciteit. Dankzij de door Nikola Tesla ontwikkelde driefasige wisselstroomtechnologie konden transmissielijnen elektrische stroom over grote afstanden transporteren. Elektriciteit werd zo op grote schaal beschikbaar gemaakt voor de mensheid om de kwaliteit van leven te verbeteren.

Afbeelding 6: 250.000 gloeilampen verlichten Chicago's World Columbian Exposition in 1893.
Het succes van het elektrische licht leidde tot de bouw van drie grote hydrogeneratoren bij Niagara Falls.
Met dank aan het Brooklyn Museum Archief. Goodyear archiefcollectie
De uitvinding van de elektronische vacuümbuis in de vroege jaren 1900 vormde de belangrijke volgende stap in de richting van geavanceerde technologie, waardoor frequentieoscillatoren, signaalversterking en digitaal schakelen mogelijk werden. Dit leidde tot radio-uitzendingen in de jaren 1920 en de eerste digitale computer, ENIAC genaamd, in 1946. De ontdekking van de transistor in 1947 maakte de weg vrij voor de komst van de geïntegreerde schakeling 10 jaar later, en de microprocessor luidde het informatietijdperk in, de manier waarop we leven en werken voor altijd veranderen.
De mensheid is afhankelijk van elektriciteit en met de toegenomen mobiliteit zijn mensen steeds meer aangetrokken tot draagbare energie - eerst voor toepassingen op wielen, dan draagbaarheid en ten slotte draagbaar gebruik. Hoe onhandig en onbetrouwbaar de vroege batterijen ook waren, toekomstige generaties zullen de technologieën van vandaag misschien zien als niets meer dan onhandige experimenten.