När uppfanns batteriet?

När uppfanns batteriet?

Batteriuniversitet

En av de mest anmärkningsvärda och nya upptäckterna under de senaste 400 åren var elektricitet. Vi kanske frågar: "Har elektricitet funnits så länge?" Svaret är ja, och kanske mycket längre, men dess praktiska användning har bara stått till vårt förfogande sedan mitten till slutet av 1800-talet, och på ett begränsat sätt till en början. Ett av de tidigaste offentliga verken som fick uppmärksamhet var att upplysa Chicagos världsutställning i Columbia 1893 med 250 000 glödlampor och belysa en bro över floden Seine under 1900 års världsutställning i Paris.
Användningen av elektricitet kan gå tillbaka längre. När arbetare byggde en järnväg 1936 nära Bagdad upptäckte arbetarna vad som verkade vara ett förhistoriskt batteri, även känt som Parthian Battery. Objektet går tillbaka till den parthiska perioden och tros vara 2 000 år gammalt. Batteriet bestod av en lerburk som var fylld med en vinägerlösning i vilken en järnstav omgiven av en kopparcylinder sattes in. Denna enhet producerade 1,1 till 2,0 volt elektricitet. Figur 1 illustrerar Parthian-batteriet.

Figur 1: Parthian Battery. En lerburk av ett förhistoriskt batteri rymmer en järnstav omgiven av en kopparcylinder. När den fylls med vinäger eller elektrolytisk lösning producerar burken 1,1 till 2 volt.
Inte alla forskare accepterar Parthian-batteriet som en energikälla. Det är möjligt att enheten användes för galvanisering, som att lägga till ett lager av guld eller andra ädla metaller på en yta. Egyptierna sägs ha elektropläterat antimon på koppar för över 4 300 år sedan. Arkeologiska bevis tyder på att babylonierna var de första som upptäckte och använde en galvanisk teknik vid tillverkning av smycken genom att använda en elektrolyt baserad på druvjuice till guldplåtsstengods. Partherna, som styrde Bagdad (ca 250 f.Kr.), kan ha använt batterier för att galvanisera silver.
En av de tidigaste metoderna för att generera elektricitet i modern tid var att skapa en statisk laddning. År 1660 konstruerade Otto von Guericke en elektrisk maskin med hjälp av en stor svavelklot som, när den gnuggades och vändes, drog till sig fjädrar och små papperslappar. Guericke kunde bevisa att gnistorna som genererades var av elektrisk natur.
Den första praktiska användningen av statisk elektricitet var den "elektriska pistolen", som Alessandro Volta (1745–1827) uppfann. Han tänkte tillhandahålla långdistanskommunikation, om än bara en boolesk bit. En järntråd stödd av trästolpar skulle spännas från Como till Milano, Italien. Vid den mottagande änden skulle tråden sluta i en burk fylld med metangas. För att signalera en kodad händelse skulle en elektrisk gnista skickas med tråd i syfte att detonera den elektriska pistolen. Denna kommunikationslänk byggdes aldrig. Figur 1-2 visar en pennåtergivning av Alessandro Volta.

Bild 2: Alessandro Volta, uppfinnaren av det elektriska batteriet
Voltas upptäckt av nedbrytningen av vatten genom en elektrisk ström lade grunden till elektrokemin.
Med tillstånd av Cadex

1791, när han arbetade vid Bolognas universitet, upptäckte Luigi Galvani att en grodas muskel skulle dra ihop sig när den berördes av ett metallföremål. Detta fenomen blev känt som djurelektricitet. På grund av dessa experiment initierade Volta en serie experiment med zink, bly, tenn och järn som positiva plattor (katod); och koppar, silver, guld och grafit som negativa plattor (anod). Intresset för galvanisk el blev snart utbrett.
Tidiga batterier
Volta upptäckte år 1800 att vissa vätskor skulle generera ett kontinuerligt flöde av elektrisk kraft när de användes som en ledare. Denna upptäckt ledde till uppfinningen av den första voltaiska cellen, mer känd som batteriet. Volta upptäckte vidare att spänningen skulle öka när voltaiska celler staplades ovanpå varandra. Figur 3 visar en sådan seriell anslutning.

Figur 1-3: Fyra varianter
av Voltas elektriska batteri
Metaller i ett batteri har olika elektriska effekter. Volta märkte att spänningspotentialen med olika ämnen blev starkare ju längre från varandra de var från varandra.
Det första talet i metallerna nedan är affiniteten för att attrahera elektroner; den andra är standardpotentialen från det första oxidationstillståndet.
Zink = 1,6 / -0,76 V
Bly = 1,9 / -0,13 V
Tenn = 1,8 / -1,07 V
Järn = 1,8 / -0,04 V
Koppar = 1,9 / 0,159 V
Silver = 1,9 / 1,98 V
Guld = 2,4 / 1,83 V
Kol = 2,5 / 0,13 V
Metallerna bestämmer batterispänningen; de skildes åt med fuktigt papper indränkt i saltvatten.
Med tillstånd av Cadex
Samma år släppte Volta sin upptäckt av en kontinuerlig elkälla till Royal Society of London. Experimenten var inte längre begränsade till en kort visning av gnistor som varade i en bråkdel av en sekund. En oändlig ström av elektrisk ström verkade nu möjlig.
Frankrike var en av de första nationerna som officiellt erkände Voltas upptäckter. Detta var under en tid när Frankrike närmade sig höjden av vetenskapliga framsteg och nya idéer välkomnades med öppna armar, vilket bidrog till att stödja landets politiska agenda. På inbjudan talade Volta till Frankrikes institut i en serie föreläsningar där Napoleon Bonaparte var närvarande som medlem av institutet (se figur 4).

Figur 4: Voltas experiment vid Frankrikes institut
Voltas upptäckter imponerade så mycket på världen att det franska nationalinstitutet i november 1800 bjöd in honom till föreläsningar vid evenemang där Napoleon Bonaparte deltog. Napoleon hjälpte till med experimenten, drog gnistor från batteriet, smälte en ståltråd, laddade ur en elektrisk pistol och sönderdelade vatten till dess element.
Med tillstånd av Cadex
År 1800 började Sir Humphry Davy, uppfinnaren av gruvarbetarens säkerhetslampa, testa de kemiska effekterna av elektricitet och fick reda på att nedbrytning inträffade när en elektrisk ström leds genom ämnen. Denna process kallades senare elektrolys. Han gjorde nya upptäckter genom att installera världens största och kraftfullaste elektriska batteri i valven på Royal Institution of London. Att koppla batteriet till kolelektroder gav det första elektriska ljuset. Vittnen rapporterade att hans voltaiska ljusbågslampa producerade "den mest lysande stigande ljusbågen som någonsin skådats".
År 1802 designade William Cruickshank det första elektriska batteriet för massproduktion. Cruickshank arrangerade fyrkantiga plåtar av koppar med lika stora plåtstorlekar av zink. Dessa ark placerades i en lång rektangulär trälåda och löddes samman. Spår i lådan höll metallplattorna på plats, och den förseglade lådan fylldes sedan med en elektrolyt av saltlake eller en urvattnad syra. Detta liknade det översvämmade batteriet som fortfarande finns med oss idag. Figur 5 illustrerar batteriverkstaden i Cruickshank.

Figur 5: Cruickshank och det första översvämmade batteriet. William Cruickshank, en engelsk kemist, byggde ett batteri av elektriska celler genom att sammanfoga zink- och kopparplattor i en trälåda fylld med en elektrolytlösning. Denna översvämmade design hade fördelen att den inte torkade ut vid användning och gav mer energi än Voltas skivarrangemang.
Med tillstånd av Cadex
Uppfinningen av det uppladdningsbara batteriet
År 1836 utvecklade John F. Daniell, en engelsk kemist, ett förbättrat batteri som producerade en jämnare ström än tidigare enheter. Fram till denna tidpunkt var alla batterier primära, vilket innebar att de inte kunde laddas. 1859 uppfann den franske fysikern Gaston Planté det första uppladdningsbara batteriet. Det var baserat på blysyra, ett system som används än idag.
1899 uppfann Waldemar Jungner från Sverige nickel-kadmium-batteriet (NiCd), som använde nickel för den positiva elektroden (katoden) och kadmium för den negativa (anoden). Höga materialkostnader jämfört med blysyra begränsade dess användning och två år senare tog Thomas Edison fram en alternativ design genom att ersätta kadmium med järn. Låg specifik energi, dålig prestanda vid låg temperatur och hög självurladdning begränsade framgången för nickel-järnbatteriet. Det var inte förrän 1932 som Schlecht och Ackermann uppnådde högre belastningsströmmar och förbättrade NiCd:s livslängd genom att uppfinna den sintrade polplattan. 1947 lyckades Georg Neumann försegla cellen.
Under många år var NiCd det enda uppladdningsbara batteriet för bärbara applikationer. På 1990-talet blev miljöaktivister i Europa bekymrade över miljöföroreningar om NiCd kasserades vårdslöst; de började begränsa denna kemi och bad konsumentindustrin att byta till nickelmetallhydrid (NiMH), ett miljövänligare batteri. NiMH liknar NiCd, och många förutspår att NiMH kommer att bli språngbrädan till den mer hållbara litiumjonen (Li-jon).
De flesta forskningsaktiviteter idag kretsar kring att förbättra litiumbaserade system. Förutom att driva mobiltelefoner, bärbara datorer, digitalkameror, elverktyg och medicinsk utrustning, används Li-ion även för elfordon. Batteriet har ett antal fördelar, framför allt dess höga specifika energi, enkel laddning, lågt underhåll och att det är miljövänligt.
Elektricitet genom magnetism
Upptäckten av hur man genererar elektricitet genom magnetism kom relativt sent. År 1820 märkte André-Marie Ampère (1775–1836) att ledningar som bär en elektrisk ström ibland attraherades till och andra gånger stött bort från varandra. År 1831 visade Michael Faraday (1791–1867) hur en kopparskiva gav ett konstant flöde av elektricitet samtidigt som den roterade i ett starkt magnetfält. Faraday, som hjälpte Davy och hans forskargrupp, lyckades generera en oändlig elektrisk kraft så länge som rörelsen mellan en spole och magnet fortsatte. Detta ledde till uppfinningen av den elektriska generatorn och att vända processen aktiverade elmotorn. Kort därefter utvecklades transformatorer som omvandlade växelström (AC) till valfri spänning. År 1833 etablerade Faraday grunden för elektrokemi som Faradays lag bygger på. Faradays induktionslag relaterar till elektromagnetism kopplad till transformatorer, induktorer och många typer av elektriska motorer och generatorer.
När sambandet med magnetism väl förstods började stora generatorer producera ett jämnt flöde av elektricitet. Motorer följde som möjliggjorde mekanisk rörelse, och Edison-glödlampan verkade erövra mörkret. Efter att George Westinghouse lyste upp Chicagos World Columbian Exposition 1893, byggde Westinghouse tre stora generatorer för att omvandla energi från Niagarafallen till elektricitet. Den trefasiga växelströmstekniken som utvecklats av Nikola Tesla gjorde det möjligt för transmissionsledningar att bära elektrisk kraft över stora avstånd. Elektricitet gjordes således allmänt tillgänglig för mänskligheten för att förbättra livskvaliteten.

Bild 6: 250 000 glödlampor lyser upp Chicagos världsutställning i Colombia 1893.
Framgången med det elektriska ljuset ledde till byggandet av tre stora hydrogeneratorer vid Niagarafallen.
Med tillstånd av Brooklyn Museum Archives. Goodyears arkivsamling
Uppfinningen av det elektroniska vakuumröret i början av 1900-talet utgjorde det viktiga nästa steget mot högteknologi, som möjliggjorde frekvensoscillatorer, signalförstärkning och digital omkoppling. Detta ledde till radiosändningar på 1920-talet och den första digitala datorn, kallad ENIAC, 1946. Upptäckten av transistorn 1947 banade vägen för den integrerade kretsens ankomst 10 år senare, och mikroprocessorn inledde informationsåldern, för alltid förändra vårt sätt att leva och arbeta.
Mänskligheten är beroende av elektricitet, och med ökad rörlighet har människor dragits mer och mer mot bärbar kraft - först för applikationer med hjul, sedan bärbarhet och slutligen bärbar användning. Lika besvärliga och opålitliga som de tidiga batterierna kan ha varit, kan framtida generationer se på dagens teknologier som inget annat än klumpiga experiment.